Champs dans un condensateur plan en régime lentement variable Le condensateur est soumis désormais à une tension alternative basse fréquence, à 50 Hz , notée ut=Umax cost Il existe alors un champ électrique E mais aussi un champ magnétique B dans l'espace interarmatures
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On calcule, en fonction de la charge d'une armature, par exemple Q1, ( souvent à l'aide du théorème de Gauss ) le champ électrostatique E entre les armatures
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G.P.DNS01Septembre 2012
DNS SujetChamps E et B dans un condensateur...................................................................................................2
III.Champ E dans un condensateur plan (sans effets de bords) en électrostatique...........................4
A.Discontinuité de E à la traversée d'une surface chargée (rappel)............................................4
1)Exemple de la sphère......................................................................................................4
2)Exemple du plan infini...................................................................................................5
B.Champ électrostatique dans un condensateur plan..................................................................5
IV.Champs dans un condensateur plan en régime lentement variable.............................................6
A.Champ E entre les armatures...................................................................................................7
B.Champ B entre les armatures...................................................................................................7
1)Le théorème d'Ampère...................................................................................................7
2)Détermination de B........................................................................................................7
V.Étude générale des champs dans un condensateur plan en régime variable.................................8
A.Méthode par approximations successives...............................................................................9
1)Étape 1............................................................................................................................9
2)Étape 2............................................................................................................................9
3)Étape 3............................................................................................................................9
B.Méthode résolution de l'équation différentielle vérifiée par E................................................9
1)Équation différentielle pour le champ électrique...........................................................9
2)Résolution de l'équation différentielle pour le champ électrique.................................11
1/32G.P.DNS01Septembre 2012
Champs E et B dans un condensateur
I.Généralités
1.Donner l'unité pour le champ E(champ électrostatique ou électrique).
2.Donner l'unité pour le champ B(champ magnétique).
II.Symétries
3.En électromagnétisme, qu'appelle-t-on:
•plan de symétrie pour une distribution de charges et de courants •plan d'antisymétrie pour une distribution de charges et de courants.Le champ électrique
Eest un " vrai » vecteur ou vecteur polaire. Le champ magnétiqueBest un " faux » vecteur ou " pseudo » vecteur ou vecteur axial. On rappelle:- SiM'est le point symétrique deMx,y,zpar rapport à un planPde symétrie de la
distribution des sources, on a:BM'symétriquedeM/plan=-symétriquedeBM/plan- SiM'est le point symétrique de
Mx,y,zpar rapport à un planPd'antisymétrie de la distribution des sources, il faut faire le " contraire ».4.Compléter les quatre schémas suivants (le planPest un planxy, le champ est supposé
dans le planxzpour simplifier) en traçantEM'(ou BM').2/32Plan de symétrieM
M'E ExEzÉtude de E
(Plan de symétrie)G.P.DNS01Septembre 2012
3/32Plan de symétrieM
M'B BxBzÉtude de B
(Plan de symétrie)Plan d'antisymétrieM
M'E ExEzÉtude de E
(Plan d'antisymétrie)Plan d'antisymétrieM
M'B BxBzÉtude de B
(Plan d'antisymétrie)G.P.DNS01Septembre 2012
On note par exemple pourEM(idem pourBM):Ex,y,z=Exx,y,zuxEzx,y,zuzoùux,uy,uzdésignent les vecteurs unitaires. On suppose que le plan de symétrieP(ou
d'antisymétrie) a pour équationz=0.5.Pour chacun des quatre cas (cf: les quatre schémas précédents), donner l'expression du champ en
M'et en déduire la parité ou l'imparité des composantesExetEz(ouBxetBz) par
rapport àz.6.On envisage alors le cas particulier oùMse trouve sur le planPde sorte que ce plan
Mxyest un plan de symétrie (ou d'antisymétrie). Que peut-on en déduire dans les quatre cas concernantEM(ouBM). Justifier avec précision en partant de l'étude précédente et
illustrer à chaque fois par un schéma.7.On vient donc dans la question précédente de retrouver les règles de base connues, à utiliser en
premier, lors de l'étude des symétries. Énoncer ces règles. III.Champ E dans un condensateur plan (sans effets de bords) en électrostatique A.Discontinuité de E à la traversée d'une surface chargée (rappel)1)Exemple de la sphère
On considère une sphère de centreO, de rayonRchargée uniformément en surface par une charge totaleQ.8.Donner l'expression de la densité surfacique de chargeen fonction des données. Quelle est
l'unité de?9.Soit un pointMquelconque.
•Existe-t-il des plans de symétrie ou d'antisymétrie contenant le pointM? Préciser et en
déduire la direction de EM. •Le point Mest repéré en coordonnées sphériques dans une base sphérique. Rappeler sur un dessin les coordonnées sphériques ainsi que la base sphérique utilisée. Justifier finalement queEM=Eruravecur: vecteur unitaire radial.10.On rappelle le théorème de Gauss: le flux de
Esortant d'une surface ferméeest caractéristique de la sourceQintcontenue à l'intérieur de cette surface fermée. Il vaut14/32OM
G.P.DNS01Septembre 2012∯
EdS=1 Qint. On utilise ici le théorème de Gauss pour déterminerE. •Quelle surface de Gauss passant parMdoit on utiliser pour que la simplification EdS=EMSsoit possible ? Justifier avec précision. •En déduireErRet ErRen fonction notamment de. •Déterminer la limite à droite deErpour r=R. Idem pour la limite à gauche. Que vient-on de vérifier ici concernant Er=R?11.La relation de discontinuité pour
EMà la traversée d'une surface chargée entre deux milieux1et2est la suivante:
n12(au voisinage de M dans le milieu 2)(au voisinage de M dans le milieu 1)(n12est la normale en M du milieu1 vers le milieu 2 )
Montrer que cette relation est bien vérifiée dans le cas de la sphère chargée en surface.
2)Exemple du plan infini
On considère un plan d'équationz=0uniformément chargé par. On considère un point
Mn'appartenant pas à ce plan.
12.Préciser le(s) plan(s) de symétrie ou d'antisymétrie passant par
M.13.Montrer que
EM=EzuzavecEzfonction impaire dez.14.En utilisant le théorème de Gauss sur une surface intelligemment choisie, montrer queEest
uniforme pour z0. Idem pourz0.15.Par utilisation de la relation de discontinuité de
Eà la traversée d'une surface chargée (relation rappelée plus haut), déterminer alorsEen tout point de l'espace. B.Champ électrostatique dans un condensateur plan Un condensateur plan est constitué de deux armatures: - un disque D1enz=0, de rayonR, de centreO, d'axeOzsupposé chargé uniformément par (supposé positif)5/32Mxz
sG.P.DNS01Septembre 2012
-un disque identiqueD2enz=d, de même axe, chargé uniformément par-. Dans la suite, on suppose toujours que la distance à l'axe rest telle que:rRet l'on suppose aussi que le champ est le même que si les deux plans étaient d'extension infinie.16.Par superposition des champs créés par chaque armature, déterminer
E=Ezuzen fonction de •pour z0•pour0zd•pour
zdTracerEzen fonction dez.
17.Déterminer le potentiel électrostatique
Ven fonction d'une constante arbitraire et tracer
Vz en fonction dez.
18.On noteVz=0=V1,
Vz=d=V2,U=V1-V2(différence de potentiel),Qcharge du disqueD1. •Montrer que Q=CUoùCdésigne la capacité du condensateur plan, à exprimer en fonction de •Exprimer E=E0uzentre les armatures avecE0à déterminer en fonction deUet d.IV.Champs dans un condensateur plan en régime
lentement variable.Le condensateur est soumis désormais à une tension alternative basse fréquence, à50Hz, notée
ut=Umaxcost. Il existe alors un champ électrique Emais aussi un champ magnétique Bdans l'espace interarmatures.19.Calculer la valeur numérique de
et préciser son unité.20.On travaille en coordonnées cylindriques d'axe
Oz. Rappeler l'expression générale d'un
déplacementdlen coordonnées cylindriques r,,zdans la baseur,u,uz.21.Montrer queBM,test de la forme
6/32D1D2
s-sz OdG.P.DNS01Septembre 2012
A.Champ E entre les armatures
On admet que l'on peut, à cette fréquence, travailler dans le cadre de l'approximation des régimes
quasistationnaires électriques. Dans ce cas, le champEdans le condensateur se calcule comme en
électrostatique mais, cette fois, la tension, donc le champ, dépendent du temps.22.ÉcrireEM,tsous la formeEM,t=E0costuzet donner l'expression deE0en
fonction deUmaxet des autres données de l'énoncé.B.Champ B entre les armatures
1)Le théorème d'Ampère
En magnétostatique (
Bindépendant du temps), le théorème d'Ampère s'écrit sous la forme: ∮CBdl=0Ienlacé. Mais dans le cas général (Bdépendant du temps), on doit utiliser le
théorème d'Ampère généralisé:∮CBdl=0Ienlacé1 c2d dt∬SEdS(Sdésigne la surface ouverte orientée s'appuyant sur le contour fermé orienté C) oùcdésigne la vitesse de la lumière dans le23.Justifier que, si l'on reste dans l'espace interarmatures, le théorème d'Ampère s'écrit:
∮CBdl=1 c2dE dtrelation1Que signifieE?
2)Détermination de B
Pour déterminerBM,t, on choisit un cercle ( courbeC1) de cotez, de rayonr,
centré sur l'axeOzet passant par le pointM. Ce cercle est orienté par l'axeOz(voir sens positif sur la figure).24.Montrer que
∮C1 Bdl=BM,t×L1et préciserL1.25.La surface
S1est la surface plane s'appuyant sur le cercleC1. Exprimer l'élément de surface dS1en cylindriques en utilisant le produit de deux déplacements élémentaires et un vecteur unitaire. 7/32z O+C1 MG.P.DNS01Septembre 2012
26.ExprimerEpuisdE
dt.27.En déduireBM,ten fonction deE0et des autres données du problème.
3)L'approximation
Les champs
EetBdoivent vérifier: •le théorème d'Ampère ( ici: relation1) •la loi de Faraday:∮CEdl=-dSdésigne la surface ouverte
orientée s'appuyant sur le contour fermé orientéC) Pour vérifier larelation2, on choisit un rectangle ( courbeC2) d'angle, de largeur
r, de hauteurz=zmax-zmin0orientée par le vecteur uet passant par le pointM(voir figure). La surfaceS2est la surface plane s'appuyant sur le contour.28.Exprimer l'élément de surface
dS2en cylindriques en utilisant le produit de deux déplacements élémentaires et un vecteur unitaire.29.En utilisant l'expression de
Bobtenue précédemment, donner l'expression deBpuis de -dB dt.30.En utilisant l'expression de
Eobtenue précédemment, déterminer la circulation∮C2 Edl. Montrer avec précision que cette circulation se ramène à deux termes qui s'annulent31.En déduire que dans le cadre de l'approximation des régimes quasistationnaires électriques, la
relation1est vérifiée mais larelation2n'est pas vérifiée rigoureusement.
V.Étude générale des champs dans un condensateur plan en régime variable. On utilise désormais les notations complexes et l'on pose: 8/32z O+C2Mzminzmax
ruq G.P.DNS01Septembre 2012Er,t=ErexpjtuzBr,t=BrexpjtuOn choisit aussi de désigner le champ électrique en
r=0par:Er=0,t=E0expjtuzA.Méthode par approximations successives
1)Étape 1
32.Le champEest supposé uniforme comme en électrostatique. On noteEr,t=E0t.
Écrire
E0t.33.Le champBest choisi pour vérifier la
relation1(théorème d'Ampère). On note Br,t=B0r,t. DéterminerB0r,t.2)Étape 2
34.Le champEdoit vérifier larelation2(loi de Faraday). On note
Er,t=E0tE1r,toùE1est un terme correctif par rapport à l'étape 1. Ce terme est
choisi nul sur l'axe. DéterminerE1r,tdont l'expression est en lien avecB0r,t.
35.Il faut alors corriger
B. On poseBr,t=B0r,tB1r,toùB1est un terme correctif.
DéterminerB1r,tdont l'expression est en lien avecE1r,t.3)Étape 3
36.On en arrive alors à poser:
Er,t=E0tE1r,tE2r,t. DéterminerE2(en lien avec
B1).37.De même:
Br,t=B0r,tB1r,tB2r,t. DéterminerB2(en lien avecE2).
4)Conclusion
38.On peut poursuivre la démarche indéfiniment et doncEetBapparaissent sous forme de
développements. Écrire le résultat pour ces deux champs en limitant le développement à trois
termes. B.Méthode résolution de l'équation différentielle vérifiée par E1)Équation différentielle pour le champ électrique
On se propose de déterminer directementEren partant toujours de larelation1et de la
relation2. On ne peut plus travailler sur une surface finie puisque ne connaissant pas, a priori,
la dépendance des champs avec r, on ne pourrait calculer les intégrales de surface. On choisitalors un contour élémentaire, entourant une surface élémentaire ne faisant intervenir qu'une seule
valeur de r. Plus exactement,rvariera formellement de manière élémentaire entreret rdr. (On pourrait envisager de travailler entre retrret considérer ensuite des limites lorsque r0, ce qui reviendrait à ne garder que les termes du premier ordre en r. D'une certaine façon, c'est ce que l'on fait en travaillant directement 9/32G.P.DNS01Septembre 2012
avec la notation différentielledret les éventuels termes qui apparaitraient endr2sont donc à éliminer . La méthode avecrserait bien plus lourde à
manipuler). On rappelle donc les écritures mathématiques utilisées ici: drdr(fait apparaître une dérivée) et ∂rdr(fait apparaître une dérivée partielle)(la différentielle de la fonctiongr,tcorrespondrait avec cette notation à
On verra donc apparaître des dérivées et l'on pourra obtenir finalement l'équation différentielle
recherchée. a) Théorème d 'Ampère sur un contour élémentairePour le théorème d'Ampère
relation1, le contour fermé utilisé est le suivant:Il s'agit d'un contour à
On remarque bien que le dessin ne doit pas induire en erreur puisque drest en fait un élément différentiel.10/32+z
+M err+dr z ++Mrr+drG.P.DNS01Septembre 2012
39.Appliquer le théorème d'Ampère et en déduire une première équation différentielle reliant
EretBr.
b) Loi de Faraday sur un contour élémentaire Pour la loi de Faradayrelation2, le contour fermé utilisé est le suivant:40.Appliquer la loi de Faraday et en déduire une deuxième équation différentielle reliantEret
Br.
c) Équation différentielle41.Déduire des deux équations différentielles couplées, l'équation différentielle vérifiée par
Er.
2)Résolution de l'équation différentielle pour le champ électrique
On rappelle que: Er=0=E0.
On donne: dE
drr=0=0car sur l'axe se trouve un extremum pour le champ.42.Rechercher pour le champ une solution de la forme
Er=∑n=0
anrn.43.Comparer le résultat final au début de solution obtenu par la méthode précédente.
11/32z
M zminzmax ruq r+drG.P.DNS01Septembre 2012
12/32G.P.DNS01Septembre 2012
13/32G.P.DNS01Septembre 2012
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20/32G.P.DNS01Septembre 2012
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