Fiche de révision : Électrostatique et gravitation

Plan du Cours

  1. Champ et potentiel électrostatiques
  2. Loi de Coulomb et superposition
  3. Distributions continues de charges
  4. Symétries et invariances
  5. Lignes de champ et équipotentielles
  6. Circulation et équations locales
  7. Flux et théorème de Gauss
  8. Équations de Poisson et Laplace
  9. Calculs par symétrie
  10. Énergie électrostatique
  11. Interaction gravitationnelle

1. Champ et potentiel électrostatiques

Notions clés & Définitions

  • Champ électrostatique : Indépendant du temps, il modélise la modification des propriétés de l’espace engendrée par une distribution de charges immobiles.
  • Potentiel électrostatique : Une grandeur créée par les charges sources et reliée au champ par E⃗=−grad⁡V\vec E=-\operatorname{grad}V.

★ À maîtriser

📌 Une charge test q' placée en M dans un champ électrostatique E(M) subit la force de Lorentz F⃗L=q′E⃗(M)\vec F_L=q'\vec E(M).

Compléments

  • Le potentiel s’exprime en volts et le champ électrostatique s’exprime en volts par mètre.

Astuce mémo

Le champ agit par une force, le potentiel mesure une énergie par charge

2. Loi de Coulomb et superposition

Points essentiels

  • En 1785, Charles Augustin Coulomb énonce la loi donnant la force d’interaction entre deux charges ponctuelles.

📐 Formule — La force exercée par une charge ponctuelle q sur une charge test q' séparée par la distance r vaut F⃗P→M=14πε0qq′r2u⃗P→M\vec F_{P\to M}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{qq'}{r^2}\vec u_{P\to M}.

📐 Formule — Le champ créé par une charge ponctuelle q située en P vaut E⃗P(M)=14πε0qr2u⃗r\vec E_P(M)=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\vec u_r.

📌 Le théorème de superposition impose que le champ total soit la somme vectorielle des champs individuels et que le potentiel total soit la somme des potentiels individuels.

Astuce mémo

Charge source → champ → force sur la charge test

3. Distributions continues de charges

Notions clés & Définitions

  • Densité volumique : Définie par ρ=dqdτ\rho=\frac{dq}{d\tau} et s’exprime en C m−3.
  • Densité superficielle : Définie par σS=dqdS\sigma_S=\frac{dq}{dS} et s’exprime en C m−2.
  • Densité linéique : Définie par λ=dqdl\lambda=\frac{dq}{dl} et s’exprime en C m−1.

Points essentiels

📌 Pour une distribution continue, la charge élémentaire s’écrit dq=ρ dτ=σS dS=λ dldq=\rho\,d\tau=\sigma_S\,dS=\lambda\,dl selon le type de distribution.

Astuce mémo

VSL : volumique, superficielle, linéique

4. Symétries et invariances

Notions clés & Définitions

  • Plan de symétrie : Associe à tout point P un point P' symétrique portant la même charge élémentaire, dq(P′)=dq(P)dq(P')=dq(P).
  • Plan d’antisymétrie : Associe à tout point P un point P' symétrique portant une charge élémentaire opposée, dq(P′)=−dq(P)dq(P')=-dq(P).

Points essentiels

📌 Si une distribution est invariante par translation ou rotation, le champ possède la même invariance correspondante.

Astuce mémo

Symétrie : champ réfléchi ; antisymétrie : champ opposé

5. Lignes de champ et équipotentielles

Notions clés & Définitions

  • Ligne de champ : Une ligne de champ est une courbe dont la tangente en chaque point M est parallèle au vecteur champ électrostatique E(M).
  • Équipotentielle : Une équipotentielle est l’ensemble des points où le potentiel électrostatique est constant.

★ À maîtriser

📌 Les lignes de champ électrostatique et les équipotentielles sont perpendiculaires à leurs points d’intersection.

Compléments

  • Le long d’un tube de champ, le flux se conserve : lorsque le tube se resserre, la norme du champ augmente, et lorsqu’il s’évase, elle diminue.

Astuce mémo

Le champ suit les potentiels décroissants, les équipotentielles les coupent à angle droit

6. Circulation et équations locales

★ À maîtriser

📐 Formule — Le champ électrostatique vérifie localement rot⁡E⃗=0\operatorname{rot}\vec E=0.

📌 La circulation du champ électrostatique sur tout contour fermé est nulle.

Compléments

📐 Formule — Entre deux points A et B, la circulation du champ vaut ∫ABE⃗⋅dl⃗=VA−VB\int_A^B\vec E\cdot d\vec l=V_A-V_B et elle est indépendante du chemin suivi.

Astuce mémo

Potentiel → gradient → rotationnel nul → circulation conservative

7. Flux et théorème de Gauss

★ À maîtriser

📐 Formule — Le théorème de Gauss donne le flux du champ à travers une surface fermée par ΦE=∮SE⃗⋅dS⃗=Qintε0\Phi_E=\oint_S\vec E\cdot d\vec S=\frac{Q_{int}}{\varepsilon_0}.

📐 Formule — L’équation locale de Maxwell-Gauss est div⁡E⃗=ρε0\operatorname{div}\vec E=\frac{\rho}{\varepsilon_0}.

Compléments

  • Dans le vide, où la densité volumique de charges est nulle, le champ électrique est à flux conservatif.

Astuce mémo

Charge intérieure → flux électrique ; absence de charge → flux conservé

8. Équations de Poisson et Laplace

★ À maîtriser

📐 Formule — Le potentiel électrostatique vérifie l’équation de Poisson ΔV+ρε0=0\Delta V+\frac{\rho}{\varepsilon_0}=0.

📐 Formule — Dans le vide, le potentiel électrostatique vérifie l’équation de Laplace ΔV=0\Delta V=0.

Compléments

📌 Les équations de Poisson et de Laplace doivent être complétées par des conditions aux limites sur le potentiel.

Astuce mémo

Charges présentes : Poisson ; vide : Laplace

9. Calculs par symétrie

★ À maîtriser

  • 🔄 Le calcul par symétrie suit trois étapes:
    1. Étudier les symétries et invariances
    2. Appliquer le théorème de Gauss avec une surface adaptée
    3. Calculer le potentiel par intégration du champ

📐 Formule — Pour un plan infini uniformément chargé de densité superficielle sigma, le champ de chaque côté vaut E⃗=±σ2ε0u⃗z\vec E=\pm\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}\vec u_z.

📐 Formule — La capacité d’un condensateur plan idéal de surface S et d’écartement e vaut C=ε0SeC=\varepsilon_0\frac{S}{e}.

📐 Formule — Pour un fil infini de densité linéique lambda, le champ électrostatique vaut E⃗=λ2πε0ru⃗r\vec E=\frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}\vec u_r.

Compléments

📐 Formule — À l’extérieur d’une sphère uniformément chargée en volume, le champ est celui d’une charge ponctuelle totale Q placée au centre, E⃗=14πε0Qr2u⃗r\vec E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{r^2}\vec u_r.

Astuce mémo

Symétries → Gauss → champ → potentiel

10. Énergie électrostatique

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie potentielle d’une charge q placée dans un potentiel V vaut Ep=qVE_p=qV.

📐 Formule — L’énergie électrostatique d’un condensateur vaut WE=12QU=12CU2W_E=\frac12 QU=\frac12 CU^2.

📐 Formule — La densité volumique d’énergie électrostatique vaut wE=12ε0E2w_E=\frac12\varepsilon_0E^2.

Compléments

📐 Formule — L’énergie électrostatique d’une sphère uniformément chargée en volume vaut WE=35Q24πε0RW_E=\frac35\frac{Q^2}{4\pi\varepsilon_0R}.

Astuce mémo

Champ électrique → densité d’énergie → énergie totale

11. Interaction gravitationnelle

★ À maîtriser

  • En 1687, Isaac Newton énonce la loi de gravitation universelle.

📐 Formule — La force gravitationnelle entre deux masses ponctuelles vaut F⃗g=−Gmm′r2u⃗r\vec F_g=-G\frac{mm'}{r^2}\vec u_r et elle est toujours attractive.

📐 Formule — Le potentiel gravitationnel créé par une masse m vaut φg=−Gmr\varphi_g=-\frac{Gm}{r} et le champ vérifie A⃗g=−grad⁡φg\vec A_g=-\operatorname{grad}\varphi_g.

📐 Formule — L’énergie gravitationnelle d’un astre sphérique homogène de masse M et de rayon R vaut WG=−35GM2RW_G=-\frac35\frac{GM^2}{R}.

Compléments

📐 Formule — L’équation locale gravitationnelle analogue à Maxwell-Gauss est div⁡A⃗g=−4πGμ\operatorname{div}\vec A_g=-4\pi G\mu.

Astuce mémo

Charges : attraction ou répulsion ; masses : attraction seulement

Tableaux de synthèse

Analogies électrostatique gravitation

GrandeurÉlectrostatiqueGravitation
SourceCharge qMasse m
ChampE⃗\vec EA⃗g\vec A_g
PotentielVVφg\varphi_g
Équation localediv⁡E⃗=ρ/ε0\operatorname{div}\vec E=\rho/\varepsilon_0div⁡A⃗g=−4πGμ\operatorname{div}\vec A_g=-4\pi G\mu
Énergie d’une sphèreWE>0W_E>0WG<0W_G<0

Teste tes connaissances

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1. Que modélise le champ électrostatique E⃗(M)\vec E(M) en un point MM ?

2. Une charge test q′q' est placée au point MM dans un champ électrostatique E⃗(M)\vec E(M). Quelle force subit-elle ?

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Qu'est-ce que le champ électrostatique E(M) modélise ?

La modification des propriétés de l’espace par une distribution de charges immobiles.

Quelle force subit une charge test q' dans un champ électrostatique E(M) ?

La force de Lorentz F⃗L=q′E⃗(M)\vec F_L=q'\vec E(M).

Comment le potentiel électrostatique V(M) est-il relié au champ électrostatique ?

Par E⃗=−grad⁡V\vec E=-\operatorname{grad}V.

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