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Université Mohammed Premier

Ecole Nationale des Sciences Appliquées - Oujda Filière STPI (1ère année) Prof. R. MALEK 2018/2019

Cours dElectrostatique

Filière STPI

Pr. Rachid MALEK

I- Le champ électrostatique

1. Notions générales

a. Phénomènes électrostatiques b. Structure de la matière c. Les divers états de la matière d. Matériaux isolants et conducteurs

2. Force et champ électrostatiques

a. La force de Coulomb b. Champ électrostatique créé par une charge ponctuelle c. Champ créé par un ensemble de charges d. Propriétés de symétrie du champ électrostatique II- Lois fondamentales de lélectrostatique

1. Flux du champ électrostatique

a. Notion dangle solide b. Le Théorème de Gauss c. Exemples dapplication d. Lignes de champ

2. Circulation du champ électrostatique

a. Notion de potentiel électrostatique b. Potentiel créé par une charge ponctuelle c. Potentiel créé par un ensemble de charges

3. Le dipôle électrostatique

a. Potentiel créé par deux charges électriques b. Champ électrostatique créé à grande distance c. Complément : développements multipolaires

III- Conducteurs en équilibre

1. Conducteurs isolés

a. Notion déquilibre électrostatique b. Quelques propriétés des conducteurs en équilibre c. Capacité dun conducteur isolé d. Superposition détats déquilibre

2. Systèmes de conducteurs en équilibre

a. Théorème des éléments correspondants b. Phénomène dinfluence électrostatique c. Coefficients dinfluence électrostatique

3. Le condensateur

a. Condensation de lélectricité b. Capacités de quelques condensateurs simples c. Association de condensateurs

IV- Energie et actions électrostatiques

1. Energie potentielle électrostatique

a. Energie électrostatique dune charge ponctuelle b. Energie électrostatique dun ensemble de charges ponctuelles c. Energie électrostatique de conducteurs en équilibre d. Quelques exemples

2. Actions électrostatiques sur un conducteur en équilibre

a. Notions de mécanique du solide b. Calcul direct des actions électrostatiques sur un conducteur chargé c. Calcul des actions électrostatiques à partir de lénergie d. Exemple du condensateur e. Exemple du dipôle

Formulaire d'électrostatique

Champ électrostatique

Créé par une particule:

EMq ru()=1 4 02

Créé par n charges ponctuelles:

EMq ru i i i in 1 4 02 1 Créé par une distribution continue:EM dEM dEMdq ru() () ()== avec 1 4 02

Distributions de charges :

linéique: dq = dl surfacique: dq = d S volumique: dq = d 2 3 V

Potentiel électrostatique

Créé par une charge ponctuelle

VMq rV()=+1 4 00

Créé par n charges ponctuelles

VMq rV i i in 1 4 010

Créé par une distribution continue

VMdq rV()=+ 1 4 00

Conducteurs en équilibre

Champ à proximité (Th de Coulomb) :

En=

0Capacité d'un conducteur isolé :

CQ V= où Q = d S 2

Surface

Coefficients dinfluence (n conducteurs) :

QCV CC

iijj jn ij ji 1 avec

Capacité dun condensateur

CQ

UUVV==Š où

12

Propriétés fondamentales

Flux (Th. de Gauss) :

EdSQ Sint 0

Circulation :

VA VB Edl E V

AB grad

Energie potentielle électrostatique

D'une charge ponctuelle :

WqV e

D'un conducteur isolé :

WQVCV e ==1 21
22

D'un système de n conducteurs :

WQV e in ii 1 2 1

Force électrostatique

Sur une particule chargée (Coulomb)

FqE=

Sur un conducteur en équilibre

FdF EdSPdSn

Sext SS 222

Expression via l'énergie (condensateur)

FWUC e grad grad 2 2

Dipôle électrostatique

Moment dipolaire électrique :

pqd=

Potentiel à grande distance :

VMpu()=

4 02

Energie électrostatique

WpE eext

Force et moment électrostatiques

Fgrad p E p E

ext ext = et 1

Chapitre I- Le champ électrostatique

I.1- Notions générales

I.1.1- Phénomènes électrostatiques : notion de charge électrique

Quiconque a déjà vécu lexpérience désagréable dune " décharge électrique » lors dun

contact avec un corps étranger connaît un effet électrostatique. Une autre manifestation de

lélectricité statique consiste en lattraction de petits corps légers (bouts de papier par ex.)

avec des corps frottés (règles, pour continuer sur le même ex.). Ce type de phénomène est

même rapporté par Thalès de Milet, aux alentours de 600 av. J.-C. : il avait observé lensemble de ces manifestations, provient de " elektron », qui signifie ambre en grec.

Létude des phénomènes électriques sest continuée jusquau XIXème siècle, où sest

élaborée la théorie unifiée des phénomènes électriques et magnétiques, appelée

électromagnétisme. Cest à cette époque que le mot " statique » est apparu pour désigner les

phénomènes faisant lobjet de ce cours. Nous verrons plus loin, lors du cours sur le champ

magnétique, pourquoi il en est ainsi. On se contentera pour linstant de prendre lhabitude de

parler de phénomènes électrostatiques. Pour les mettre en évidence et pour apporter une interprétation cohérente, regardons deux expériences simples.

Expérience 1 :

Prenons une boule (faite de sureau ou de polystyrène, par ex.) et suspendons-la par un fil.

Ensuite on approche une tige, de verre ou dambre, après lavoir frottée préalablement : les

deux tiges la boule.

Par contre, si lon approche simultanément les deux tiges côte à côte, rien ne se passe.Verre ou Ambre++++++++++

Verre Ambre Tout se passe donc comme si chacune des tiges était, depuis son frottement, porteuse

délectricité, mais que celle-ci pouvait se manifester en deux états contraires (car capables

dannuler les effets de lautre). On a ainsi qualifié arbitrairement de lélectricité

contenue dans le verre (frotté avec de la soie), et de celle portée par lambre (idem, ou encore du plastique frotté avec de la fourrure). 2

Expérience 2 :

Prenons maintenant deux boules A et B, préalablement mises en contact avec une tige frottée

(elles sont " électrisées »), et suspendons-les côte à côte. Si elles ont été mises en contact

toutes deux avec une tige de même matériau, elles se .

Par contre, si elles ont été mises en contact avec des tiges de matériau différent (ex. A avec du

verre frotté et B avec de lambre frotté), alors elles . Si, du fait de leur attraction, elles viennent à se toucher, on observe quelles perdent alors toute électrisation : elles prennent une position déquilibre vis-à-vis du leur poids. Cette expérience est assez riche. On peut tout dabord en conclure que deux corps portant une

électricité de même nature (soit positive, soit négative) se repoussent, tandis quils sattirent

sils portent des électricités contraires.

Mais cette expérience nous montre également que cette électricité est capable, non seulement

dagir à distance (répulsion ou attraction), mais également de se déplacer dun corps à un

autre. Mais alors quest-ce qui se déplace ?

Si lon suspend les boules à une balance, même très précise, nous sommes incapables de

détecter la moindre variation de poids entre le début de lexpérience et le moment où elles

sont électrisées. Pourtant, le fait quil soit nécessaire quil y ait un contact entre deux

matériaux pour que lélectricité puisse passer de lun à lautre, semble indiquer que cette

électricité est portée par de la matière.

On explique lensemble des effets délectricité statique par lexistence, au sein de la matière,

de particules portant une charge électrique q, positive ou négative, et libres de se déplacer.

Cest Robert A. Millikan qui a vérifié pour la première fois en 1909, grâce à une expérience

mettant en jeu des gouttes dhuile, le fait que toute charge électrique Q est quantifiée, cest à

dire quelle existe seulement sous forme de multiples dune charge élémentaire e, indivisible

(Q=Ne). La particule portant cette charge élémentaire est appelée lélectron.

Dans le système dunités international, lunité de la charge électrique est le Coulomb

(symbole C). Des phénomènes délectricité statique mettent en jeu des nanocoulombs (nC)

voire des microcoulombs (µC), tandis que lon peut rencontrer des charges de lordre du

Coulomb en électrocinétique.

3 Lensemble des expériences de la physique (et en particulier celles décrites plus haut) ne

peuvent sexpliquer que si la charge électrique élémentaire est un invariant : on ne peut ni la

détruire ni lengendrer, et ceci est valable quel que soit le référentiel. Cest ce que lon décrit

par la notion dinvariance relativiste de la charge électrique.

I.1.2- Structure de la matière

La vision moderne de la matière décrit celle-ci comme étant constituée datomes. Ceux-ci

sont eux-mêmes constitués dun noyau (découvert en 1911 par Rutherford) autour duquel

" gravite » une sorte de nuage composé délectrons et portant lessentiel de la masse. Ces

électrons se repoussent les uns les autres mais restent confinés autour du noyau car celui-ci

possède une charge électrique positive qui les attire. On attribue cette charge positive à des

particules appelées protons. Cependant, le noyau atomique ne pourrait rester stable sil nétait

composé que de protons : ceux-ci ont en effet tendance à se repousser mutuellement. Il existe donc une autre sorte de particules, les neutrons (découverts en 1932 par Chadwick) portant une charge électrique nulle. Les particules constituant le noyau atomique sont appelées les nucléons. Dans le tableau de Mendeleev tout élément chimique X est représenté par la notation . Le nombre A est appelé le nombre de masse : cest le nombre total de nucléons (protons et neutrons). Le nombre Z est appelé le nombre atomique et est le nombre total de protons constituant le noyau. La charge électrique nucléaire totale est donc Q=+Ze, le cortège

électronique possédant alors une charge totale Q=-Ze, assurant ainsi la neutralité électrique

dun atome.

Exemple : le Carbone

612
possède 12 nucléons, dont 6 protons (donc 6 électrons) et 6 neutrons, le Cuivre 2963

63 nucléons dont 29 protons (donc 29 électrons) et 34 neutrons.

Latome de cuivre existe aussi sous la forme

2964
, cest à dire avec 35 neutrons au lieu de

34 : cest ce quon appelle un isotope.

Valeurs des charges électriques et des masses des constituants atomiques dans le Système

International :

Electron: q =-e =-1.602 10 C m =9.109 10 kg

Proton: q = +e =1.602 10 C m =1.672 10 kg

Neutron: q =0 C m =1.674 10 kg e-19 e-31 p -19 p-27 nn -27 Comme on peut le remarquer, même une charge de lordre du Coulomb (ce qui est énorme), correspondant à environ 10 18 électrons, ne produit quun accroissement de poids de lordre de 10 12- kg : cest effectivement imperceptible. Si les électrons sont bien des particules quasi-ponctuelles, les neutrons et les protons en revanche ont une taille non nulle (inférieure à 10 15- m). Il savère quils sont eux-mêmes

constitués de quarks, qui sont aujourdhui, avec les électrons, les vraies briques élémentaires

de la matière. Les protons ainsi que les neutrons forment ainsi une classe de particules appelée

les baryons. A lheure actuelle, lunivers (ou plutôt lensemble reconnu de ses manifestations) est descriptible à laide de quatre forces fondamentales : 4

1) La force nucléaire faible, responsable de la cohésion des baryons (quarks-quarks);

2) La force nucléaire forte, responsable de la cohésion du noyau (protons-neutrons) ;

3) La force électromagnétique, responsable de la cohésion de latome (électrons-nucléons) ;

4) La force gravitationnelle, responsable de la structure à grande échelle de lunivers

(cohésion des corps astrophysiques, cohésion des systèmes planétaires, des galaxies, des amas galactiques, moteur de la cosmologie).

I.1.3- Les divers états de la matière

La cohésion de la matière est due à linteraction entre ses constituants, interaction mettant en

jeu une énergie de liaison. Or, chaque constituant (atome ou molécule) possède lui-même de

lénergie cinétique liée à sa température (énergie dagitation thermique). La rigidité dun état

particulier de la matière dépend donc de limportance relative de ces deux énergies (cinétique

et liaison).

Si lon prend un gaz constitué datomes (ou de molécules) neutres, alors linteraction entre

deux constituants est assez faible : elle ne se produit que lorsquils sont assez proches pour

quil y ait répulsion entre les électrons périphériques. Ainsi, chaque atome est relativement

libre de se déplacer dans lespace, au gré des " collisions » avec dautres atomes.

Si lon refroidit ce gaz, certaines liaisons électrostatiques qui étaient négligeables auparavant

peuvent devenir opérantes et lon obtient alors un liquide. Si lon chauffe ce gaz, de lénergie

est fournie à ses constituants, les molécules se brisent et, si lon continue à chauffer, on peut

même libérer un ou plusieurs électrons périphériques des atomes, produisant ainsi un gaz

dions ou plasma. Dans un solide au contraire, les liaisons entre chaque atome sont beaucoup plus fortes et les atomes ne bougent quasiment pas, formant un cristal. La force de cette cohésion dépend

beaucoup dun solide à lautre. Ainsi, elle est très puissante si les atomes mettent en commun

leur cortège électronique (liaison covalente comme pour le diamant et liaison métallique, comme pour le Cuivre) et beaucoup plus faible si les cortèges électroniques de chaque atome restent intouchés (liaison ionique, comme pour le sel).

Enfin, la matière molle (caoutchouc, plastiques, textiles, mousses) possède une hiérarchie du

point de vue de sa cohésion : elle est constituée déléments " solides » (macromolécules liées

par des liaisons covalentes) interagissant entre eux par des liaisons ioniques (électrostatiques).

I.1.4- Matériaux isolants et matériaux conducteurs

Un matériau est ainsi constitué dun grand nombre de charges électriques, mais celles-ci sont

toutes compensées (même nombre délectrons et de protons). Aux températures usuelles, la

matière est électriquement neutre. En conséquence, lorsque des effets délectricité statique se

produisent, cela signifie quil y a eu un déplacement de charges, dun matériau vers un autre :

cest ce que lon appelle lélectrisation dun corps. Ce sont ces charges, en excès ou en

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