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èrepartie
Chapitre VII Energie électrostatique
I. Définition
L’énergie électrostatique W d’un système de charges, supposées initialement éloignées les unes des autres, correspond au travail qu’il faut fournir pour amener ces charges à leurs positions finales.
II. Energie d’une charge ponctuelle placée dans un champ E
Pour une charge q se déplaçant de A à B dans le champ E, le travail de la force électrostatique est :
III. Energie d’un système de charges ponctuelles
Chacune des charges est soumise à l’action du champ électrostatique créé par les autres charges. Initialement toutes les charges étaient éloignés les unes des autres et à l’infini :
- On amène q1 de l’infini à A1 : W1=0 car E=0,
- On amène q2 de l’infini à A2 : En A2 le potentiel V2 créé par q1 est :
, l’énergie potentielle de q1 est donc :
- q1 en A1, q2 en A2, on amène q3 de l’infini à A3 : En A3 le potentiel sera :
23 0 2 13
0 1
3
4 r
q r
4 V q
+ πε
= πε
, et l’énergie de q3 sera :23 0
3 2 13
0 3 1 3
3
4 r
q . q r
4 q . V q
.
q + πε
= πε
WAB = q (VA - VB) = qV
12 1 0
2
r
q 4
V 1
= πε
12 0
2 1 2
2
4 . r
q . V q
.
q = πε
Filière SMI – Module Physique II – Elément 1 : Electricité – Cours Prof . R.Tadili
L’énergie totale sera : i
i i
j
i j
ij 0
j
i
q . V
2 1 r
4 q . q 2
W 1 ∑ ∑ = ∑
= πε
≠
Le terme ½ provient du fait que dans l’interaction entre qi et qj est comptée 2fois.
IV. Energie d’une distribution continue de charges
On se ramène à un ensemble de charges ponctuelles en divisant la charge totale en dq :
Distribution volumique :
W = 1 2 ∫∫∫ ρ . V . d τ
Distribution surfacique :
= ∫∫ σ
S. V . ds 2
W 1
Distribution linéïque :
= ∫ λ
c
dl . V 2 .
W 1
V. Energie d’un système de conducteurs chargés en équilibre électrostatique
Cas d’un seul conducteur
La charge portée par un conducteur est surfacique, caractérisée par sa densité σ. On a : = ∫∫ σS
. V . ds
2
W 1
, et puisque la surface est équipotentielles, toutes lescharges sont au même potentiel V , donc : = ∫∫Sσ =
Q V , 2
dS 1 .
2 V W 1
Or Q = C.V, donc :
C
² Q 2
² 1 V . 2 C V 1 . 2 Q
W = 1 = =
Cas d’un système de n conducteurs
Chaque conducteur porte l’énergie : i
Q
i. V
i2
W = 1
Pour n conducteurs l’énergie totale sera : i i i
V . 2 Q
W = 1 ∑
VI. Energie d’un condensateur chargé
L’énergie d’un condensateur dont les charges des armatures sont
respectivement +Q et –Q et sont aux potentiels V1 et V2, à pour expressions :
( ) ( )
C
² Q 2
² 1 V V . 2 C V 1
V . 2 Q
W = 1
1−
2=
1−
2=
Localisation de l’énergie électrostatique
L’énergie électrostatique provient de la force électrostatique donc du champ électrostatique. L’énergie électrostatique est donc localisée dans l’espace ou existe le champ électrostatique c'est-à-dire entre les armatures du
condensateur (et non sur les armatures ou le champ est nul).
Exemple : condensateur plan Dans ce cas on a :
e V E = V1 − 2
L’énergie est localisée entre les armatures c.à.d dans le volume : V = S.e
( ) v
2
² e E
2 S
²
² E e
² e E
S 2
² 1 V V 2 C W 1 e ,
C S
Puisque
0 1 2 0 0 ε0ε = ε =
=
− ε =
=
On définit la densité d’énergie par :
2 E d
dW ε
0² τ =
A partir de la densité d’énergie on peut calculer l’énergie W par :
= ∫∫∫ ε τ
espace
0