Cours de Électromagnétisme – Licence 2
L'électrostatique étudie les champs créés par des charges immobiles. La loi de Coulomb F = q1q2/(4πε0 r²) définit le champ E et le potentiel V (E = −grad V). Le théorème de Gauss, ∮E·dS = Qint/ε0, permet de calculer le champ pour des distributions symétriques : sphère, fil, plan. Le condensateur plan, de capacité C = ε0S/d, stocke l'énergie ½CV². Le chapitre traite aussi l'énergie potentielle…
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L'électrostatique étudie les champs créés par des charges immobiles. La loi de Coulomb F = q1q2/(4πε0 r²) définit le champ E et le potentiel V (E = −grad V). Le théorème de…
La magnétostatique étudie les champs magnétiques créés par des courants permanents. La force de Lorentz F = q(E + v × B) agit sur une charge en mouvement ; la force de Laplace dF…
Lorsque le flux magnétique Φ à travers un circuit varie, il apparaît une force électromotrice induite e = −dΦ/dt (loi de Faraday), dont le signe est donné par la loi de Lenz :…
Les quatre équations de Maxwell résument toute l'électromagnétisme : div E = ρ/ε0 (Gauss), div B = 0, rot E = −∂B/∂t (Faraday) et rot B = μ0 j + μ0ε0 ∂E/∂t (Ampère-Maxwell). Le…
Une onde électromagnétique plane progressive est une onde transversale dont les champs E et B, perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation, vérifient E = cB dans…
Chapitre à lire gratuitement : Électrostatique
1. Charge électrique et loi de Coulomb
La charge électrique est quantifiée : la charge élémentaire est e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C. Elle se conserve. Deux charges ponctuelles q1 et q2 distantes de r exercent l'une sur l'autre une force dirigée selon la droite qui les joint :
F = q1 q2 / (4π ε0 r²) = k q1 q2 / r²
avec ε0 = 8,8541878128 × 10⁻¹² F·m⁻¹ et k = 1/(4πε0) = 8,9875517923 × 10⁹ N·m²·C⁻². La force est répulsive pour des charges de même signe, attractive sinon. Exemple : deux charges de 2 µC et −3 µC distantes de 10 cm s'attirent avec F = 8,988 × 10⁹ × 6 × 10⁻¹² / 0,01 ≈ 5,39 N.
2. Champ électrique et potentiel
Le champ électrique créé en M par une charge q placée en O est E = k q / r² u (u : vecteur unitaire de O vers M), en V·m⁻¹. Il obéit au principe de superposition. La force subie par une charge q' est F = q' E.
Le champ électrostatique dérive d'un potentiel scalaire : E = −grad V, soit V(r) = k q / r pour une charge ponctuelle (potentiel nul à l'infini). Le travail de la force électrique entre A et B est q'(VA − VB), indépendant du chemin. Les surfaces équipotentielles sont perpendiculaires aux lignes de champ.
3. Dipôle électrique
Deux charges +q et −q séparées de d forment un dipôle de moment p = q d. Au milieu du segment, le champ vaut E = 2kq/(d/2)² dirigé de +q vers −q. Loin du dipôle, le champ décroît en 1/r³. Une molécule d'eau est un dipôle permanent (p = 6,2 × 10⁻³⁰ C·m), ce qui explique son pouvoir solvant.
4. Théorème de Gauss
Le flux du champ électrique à travers une surface fermée S est proportionnel à la charge intérieure :
∮ E · dS = Qint / ε0
Applications (symétries sphérique, cylindrique, plane) :
- Sphère uniformément chargée en volume (rayon R, charge Q) : à l'extérieur E = kQ/r² ; à l'intérieur E = kQ r/R³.
- Fil infini de densité linéique λ : E = λ/(2π ε0 r).
- Plan infini de densité surfacique σ : E = σ/(2ε0), uniforme de part et d'autre.
5. Conducteurs en équilibre et condensateur plan
Dans un conducteur en équilibre, le champ est nul à l'intérieur, le potentiel est uniforme et les charges sont réparties en surface. Au voisinage de la surface, le champ est E = σ/ε0 (théorème de Coulomb).
Un condensateur plan, formé de deux armatures de surface S séparées de d, a pour capacité C = ε0 S/d (vide). Entre les armatures, le champ est uniforme, E = V/d. Avec un diélectrique de permittivité relative εr, C = εr ε0 S/d. L'énergie emmagasinée est
U = ½ C V² = ½ Q²/C
Exemple : S = 100 cm², d = 1 mm : C = 88,5 pF ; pour V = 100 V, Q = 8,85 nC et U = 0,443 µJ.
6. Énergie électrostatique d'un système de charges
L'énergie potentielle d'un ensemble de charges est la somme sur toutes les paires : U = Σ k qi qj / rij. Pour trois charges identiques q aux sommets d'un triangle équilatéral de côté a : U = 3kq²/a.
7. Particule chargée dans un champ uniforme
Une charge q de masse m dans un champ uniforme E subit une accélération a = qE/m. Pour un électron dans E = 10⁵ V·m⁻¹, a = 1,76 × 10¹⁶ m·s⁻². Après 1 cm, v = √(2ad) ≈ 1,88 × 10⁷ m·s⁻¹ (6 % de c) : on utilise le même principe dans un tube cathodique ou un accélérateur de particules.
8. Méthode pour les devoirs et examens
- Représenter la configuration et choisir un système de coordonnées adapté.
- Pour le champ, appliquer le principe de superposition ou le théorème de Gauss si la distribution est symétrique.
- Garder les unités SI : charges en coulombs, distances en mètres.
- Vérifier le sens du champ (de + vers −) et le signe de l'énergie.
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