Fiche de révision : Outils d’électromagnétisme et thermodynamique

Plan du Cours

  1. Sources et symétries électrostatiques
  2. Champs électrostatiques et gravitationnels
  3. Théorème de Gauss et champs usuels
  4. Énergie, potentiel et condensateur
  5. Sources et courants magnétostatiques
  6. Forces et symétries magnétiques
  7. Théorème d’Ampère et champs usuels
  8. Flux et inductance magnétique
  9. Dipôles électriques et magnétiques
  10. Enthalpie et réactions chimiques
  11. Entropie et changements d’état
  12. Enthalpie libre et potentiel chimique
  13. Quotient et constante d’équilibre
  14. Sens d’évolution et équilibre
  15. Déplacement des équilibres chimiques
  16. Équations différentielles linéaires
  17. Oscillateurs mécaniques amortis et forcés
  18. Alphabet grec en physique-chimie

1. Sources et symétries électrostatiques

Notions clés & Définitions

  • Électrostatique : Branche de l’électromagnétisme qui étudie les champs électriques créés par des distributions de charges fixes dans le référentiel du laboratoire.

★ À maîtriser

📌 Une distribution discrète est une collection de charges ponctuelles fixes, tandis qu’une distribution continue est décrite par des éléments mésoscopiques de charge.

📐 Formule - Pour une distribution continue, les éléments de charge sont dq=λ(P) dldq=\lambda(P)\,dl en ligne, dq=σ(P) dSdq=\sigma(P)\,dS en surface et dq=ρ(P) dτdq=\rho(P)\,d\tau en volume.

📌 Sur un plan de symétrie des charges, le champ électrostatique en un point du plan est contenu dans ce plan ; sur un plan d’antisymétrie, il lui est perpendiculaire.

Compléments

  • Les densités linéique, surfacique et volumique de charge s’expriment respectivement en C m−1\mathrm{C\,m^{-1}}, C m−2\mathrm{C\,m^{-2}} et C m−3\mathrm{C\,m^{-3}}.

📌 Les invariances de la distribution de charges déterminent les paramètres de position dont dépend la norme du champ électrostatique.

Astuce mémo

Symétrie : E reste dans le plan ; antisymétrie : E lui est perpendiculaire.

2. Champs électrostatiques et gravitationnels

★ À maîtriser

📐 Formule - Le champ créé en M par une charge ponctuelle q₀ située en P est E⃗(M)=q04πε0PM⃗PM3\vec E(M)=\frac{q_0}{4\pi\varepsilon_0}\frac{\vec{PM}}{PM^3}.

📌 La force de Coulomb entre deux charges ponctuelles est attractive si elles sont de signes contraires et répulsive si elles sont de même signe.

📐 Formule - Le champ gravitationnel créé en M par une masse ponctuelle m₀ située en P est G⃗(M)=−Gm0PM⃗PM3\vec G(M)=-\mathcal Gm_0\frac{\vec{PM}}{PM^3}.

Compléments

  • Les lignes du champ électrostatique divergent depuis une charge positive et convergent vers une charge négative.

Astuce mémo

Coulomb change de signe selon les charges ; Newton attire toujours.

3. Théorème de Gauss et champs usuels

★ À maîtriser

📐 Formule - Le flux électrostatique sortant d’une surface fermée vérifie ∯SE⃗⋅n⃗ext dS=Qintε0\oiint_S\vec E\cdot\vec n_{\mathrm{ext}}\,dS=\frac{Q_{\mathrm{int}}}{\varepsilon_0}.

📌 Une surface de Gauss doit être fermée, passer par le point étudié, rendre le champ uniforme sur sa partie utile et permettre que le champ y soit colinéaire à la normale utile ou perpendiculaire ailleurs.

📐 Formule - Le champ d’un plan infini uniformément chargé vaut E⃗=σ2ε0n⃗\vec E=\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}\vec n au-dessus du plan et E⃗=−σ2ε0n⃗\vec E=-\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}\vec n au-dessous.

📐 Formule - Dans l’espace inter-armatures d’un condensateur plan infini, E⃗=σε0n⃗\vec E=\frac{\sigma}{\varepsilon_0}\vec n, et le champ est nul à l’extérieur.

Compléments

📐 Formule - Le flux gravitationnel sortant d’une surface fermée vérifie ∯SG⃗⋅n⃗ext dS=−4πGMint\oiint_S\vec G\cdot\vec n_{\mathrm{ext}}\,dS=-4\pi\mathcal G M_{\mathrm{int}}.

📐 Formule - À l’extérieur d’une boule uniformément chargée de charge totale Q et de centre O, le champ est E⃗(M)=Q4πε0OM⃗OM3\vec E(M)=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0}\frac{\vec{OM}}{OM^3}.

4. Énergie, potentiel et condensateur

★ À maîtriser

📐 Formule - Le champ créé par N charges ponctuelles est la somme de leurs champs : E⃗(M)=∑i=1Nqi4πε0PiM⃗PiM3\vec E(M)=\sum_{i=1}^{N}\frac{q_i}{4\pi\varepsilon_0}\frac{\vec{P_iM}}{P_iM^3}.

📐 Formule - La force électrostatique sur une charge-test q est conservative et vérifie F⃗eˊlec=qE⃗=−∇⃗Ep,eˊlec\vec F_{\mathrm{élec}}=q\vec E=-\vec\nabla\mathcal E_{p,\mathrm{élec}}.

📐 Formule - Le travail de la force électrostatique entre A et B vaut WA→B=Ep(A)−Ep(B)W_{A\to B}=\mathcal E_p(A)-\mathcal E_p(B) et ne dépend pas du chemin suivi.

📐 Formule - Le potentiel électrostatique est défini par V=EpqV=\frac{\mathcal E_p}{q} et le champ vérifie E⃗=−∇⃗V\vec E=-\vec\nabla V.

📐 Formule - Le potentiel créé en M par une charge ponctuelle q₀ située en P est V(M)=q04πε0PMV(M)=\frac{q_0}{4\pi\varepsilon_0PM}.

📐 Formule - Pour un condensateur plan infini, q=Cuq=Cu, i=Cdudti=C\frac{du}{dt} et, en électrostatique, Q=CUQ=CU.

📐 Formule - La capacité d’un condensateur plan à air ou à vide est C=ε0SeC=\frac{\varepsilon_0S}{e}, exprimée en farads.

Compléments

📐 Formule - La circulation du champ électrostatique entre A et B vaut CA→B=V(A)−V(B)\mathcal C_{A\to B}=V(A)-V(B) et sa circulation sur un contour fermé est nulle.

📐 Formule - Le potentiel créé par une distribution discrète est V(M)=∑i=1Nqi4πε0PiMV(M)=\sum_{i=1}^{N}\frac{q_i}{4\pi\varepsilon_0P_iM}.

  • Les lignes de champ électrostatique ne se referment jamais sur elles-mêmes, sont perpendiculaires aux équipotentielles et sont orientées vers les potentiels décroissants.

Astuce mémo

Le champ pointe vers les potentiels décroissants.

5. Sources et courants magnétostatiques

Notions clés & Définitions

  • Magnétostatique : Branche de l’électromagnétisme qui étudie les champs magnétiques créés par des distributions de courants constants.

★ À maîtriser

📐 Formule - Les éléments de courant sont dC⃗=I dl⃗d\vec{\mathcal C}=I\,d\vec l en distribution linéique, dC⃗=j⃗S dSd\vec{\mathcal C}=\vec j_S\,dS en distribution surfacique et dC⃗=j⃗ dτd\vec{\mathcal C}=\vec j\,d\tau en distribution volumique.

📐 Formule - L’intensité algébrique traversant une surface orientée est I=∬Sj⃗⋅n⃗ dSI=\iint_S\vec j\cdot\vec n\,dS et, si j est uniforme et colinéaire à la normale, I=jSI=jS.

📐 Formule - Pour un seul type de porteurs, la densité de charge mobile vaut ρm=nq\rho_m=nq et la densité volumique de courant vaut j⃗=ρmv⃗\vec j=\rho_m\vec v.

Compléments

  • Les ordres de grandeur cités sont : 2 × 10⁻⁵ T pour la composante horizontale terrestre, quelques 10⁻⁴ T pour les appareils électroménagers, 6 à 8 T en IRM, 0,1 T pour un électroaimant

📐 Formule - Pour plusieurs types de porteurs, la densité volumique de courant est j⃗=∑kρkv⃗k\vec j=\sum_k\rho_k\vec v_k, avec ρk=nkqk\rho_k=n_kq_k.

📐 Formule - Dans un conducteur ohmique, la loi d’Ohm locale est j⃗=γE⃗\vec j=\gamma\vec E et la résistivité vaut ρ=1/γ\rho=1/\gamma.

6. Forces et symétries magnétiques

★ À maîtriser

📐 Formule - La force magnétique de Lorentz exercée sur une charge q de vitesse v est F⃗=qv⃗∧B⃗\vec F=q\vec v\wedge\vec B.

📐 Formule - La force élémentaire de Laplace sur un élément de fil parcouru par I est dF⃗=I dl⃗∧B⃗d\vec F=I\,d\vec l\wedge\vec B, et sur un segment CD en champ uniforme, F⃗=I CD⃗∧B⃗\vec F=I\,\vec{CD}\wedge\vec B.

📌 Sur un plan de symétrie des courants, le champ magnétique en un point du plan est perpendiculaire au plan ; sur un plan d’antisymétrie, il est contenu dans le plan.

Compléments

📌 Les invariances de la distribution de courants déterminent les paramètres de position dont dépend la norme du champ magnétique.

7. Théorème d’Ampère et champs usuels

Points essentiels

📐 Formule - Le théorème d’Ampère s’écrit ∮CB⃗⋅dl⃗=μ0Ienlaceˊ\oint_{\mathcal C}\vec B\cdot d\vec l=\mu_0I_{\mathrm{enlacé}}, avec μ0=4π×10−7 H m−1\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{H\,m^{-1}}.

📌 Un contour d’Ampère doit être fermé et orienté, passer par le point étudié et rendre le champ uniforme et tangent sur sa partie utile, perpendiculaire au contour ailleurs.

📐 Formule - Le champ créé par un fil rectiligne infini parcouru par un courant I vaut B⃗=μ0I2πre⃗θ\vec B=\frac{\mu_0I}{2\pi r}\vec e_\theta.

📐 Formule - À l’intérieur d’un solénoïde infini d’axe Oz, le champ vaut B⃗=μ0nIe⃗z\vec B=\mu_0nI\vec e_z et il est nul à l’extérieur, où n est le nombre de spires par unité de longueur.

8. Flux et inductance magnétique

★ À maîtriser

  • Le flux algébrique du champ magnétique sortant de toute surface fermée est nul.

📐 Formule - Le flux propre d’un circuit parcouru par un courant I vérifie Φp=LI\Phi_p=LI, où L est positif, dépend de la géométrie du circuit et s’exprime en henrys.

Compléments

  • Le flux magnétique a la même valeur à travers toute section d’un même tube de champ.

  • Les lignes du champ magnétique tendent à tourbillonner autour de leur source ; autour d’un fil infini, elles sont des cercles orientés selon la règle du tire-bouchon.

📐 Formule - L’inductance propre d’un solénoïde long de longueur l, comportant N spires de surface S chacune, vaut L=μ0N2SlL=\frac{\mu_0N^2S}{l}.

9. Dipôles électriques et magnétiques

Notions clés & Définitions

  • Dipôle électrostatique : Distribution de charge totale nulle dont les barycentres des charges positives et négatives ne coïncident pas.
  • Dipôle magnétostatique : Boucle de courant ou circuit étudié à grande distance.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le moment dipolaire électrique vaut p⃗=∑iqiOAi⃗=qNP⃗=qae⃗z\vec p=\sum_iq_i\vec{OA_i}=q\vec{NP}=qa\vec e_z, il est indépendant du point O et s’exprime en C·m.

📐 Formule - À grande distance d’un dipôle électrique, lorsque r ≫ a, le potentiel vaut V(M)=pcos⁡θ4πε0r2=p⃗⋅r⃗4πε0r3V(M)=\frac{p\cos\theta}{4\pi\varepsilon_0r^2}=\frac{\vec p\cdot\vec r}{4\pi\varepsilon_0r^3}.

📐 Formule - Dans un champ électrique uniforme, un dipôle subit le couple Γ⃗=p⃗∧E⃗ext\vec\Gamma=\vec p\wedge\vec E_{\mathrm{ext}} et possède l’énergie potentielle Ep=−p⃗⋅E⃗ext\mathcal E_p=-\vec p\cdot\vec E_{\mathrm{ext}}.

📐 Formule - Le moment dipolaire magnétique vaut M⃗=ISn⃗\vec{\mathcal M}=IS\vec n, où n est normal au circuit et orienté selon la règle du tire-bouchon ; il s’exprime en A·m².

Compléments

📌 Dans un champ uniforme, l’alignement de p et E dans le même sens est un équilibre stable d’énergie minimale, tandis que l’alignement opposé est instable et d’énergie maximale.

📐 Formule - Dans un champ électrique non uniforme à l’échelle du dipôle, la force est F⃗=(p⃗⋅∇⃗)E⃗ext\vec F=(\vec p\cdot\vec\nabla)\vec E_{\mathrm{ext}} et tend à déplacer le dipôle vers les zones de champ plus intense.

Astuce mémo

Dipôle électrique : charges séparées ; dipôle magnétique : boucle de courant.

10. Enthalpie et réactions chimiques

Notions clés & Définitions

  • Enthalpie : Fonction d’état extensive, exprimée en joules, et vérifie H = U + PV.
  • Enthalpie de réaction : Variation d’enthalpie par mole d’avancement à T et P constants, ΔrH=(∂H/∂ξ)T,P\Delta_rH=(\partial H/\partial\xi)_{T,P}.
  • État standard : Son état pur à la pression standard P⁰ = 1 bar, sans température imposée.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour une transformation monobare, le transfert thermique algébriquement reçu vérifie Qp=ΔHQ_p=\Delta H.

📐 Formule - La loi de Hess donne ΔrH0(T)=∑iνiΔfH0(Ai,T)\Delta_rH^0(T)=\sum_i\nu_i\Delta_fH^0(A_i,T).

📌 Dans une réaction standard de formation, une mole de l’espèce formée est produite à partir des corps simples dans leur état standard de référence, et l’enthalpie standard de formation de cet état de référence est nulle.

📌 Fusion, vaporisation et sublimation sont endothermiques, avec Q > 0, tandis que solidification, liquéfaction et condensation sont exothermiques, avec Q < 0.

📐 Formule - Sans réaction chimique, pour une transformation monobare, le transfert thermique vaut Q=ΔH=CTOTΔTQ=\Delta H=C_{\mathrm{TOT}}\Delta T.

📐 Formule - En réacteur monobare et monotherme, le transfert thermique de réaction vaut Q=ΔH=ΔrH0(T0)ξfQ=\Delta H=\Delta_rH^0(T_0)\xi_f ; il est endothermique si ΔrH⁰ > 0 et exothermique si ΔrH⁰ < 0.

Compléments

📐 Formule - Pour un système polyconstitué, H(T,P,(ni))=∑iniHm,iH(T,P,(n_i))=\sum_i n_iH_{m,i} et sa différentielle dépend de T, P et de l’avancement ξ.

📌 L’approximation d’Ellingham suppose ΔrH⁰ indépendant de T sur un intervalle si aucun réactif ni produit ne change d’état physique dans cet intervalle.

  • L’enthalpie standard de vaporisation de l’eau est évaluée à la température de vaporisation Tvap = 373 K et est aussi appelée chaleur latente molaire de vaporisation.

  • Dans un réacteur monobare adiabatique, Q = ΔH = 0 et le bilan se décompose en une contribution réactionnelle à Ti puis une contribution thermique des constituants restants entre Ti et Tf.

11. Entropie et changements d’état

Notions clés & Définitions

  • Entropie : Fonction d’état extensive exprimée en J·K⁻¹ ; pour un système polyconstitué, S=∑iniSm,iS=\sum_i n_iS_{m,i}.
  • Entropie de réaction : Variation d’entropie par mole d’avancement à T et P constants, ΔrS=(∂S/∂ξ)T,P\Delta_rS=(\partial S/\partial\xi)_{T,P}.

★ À maîtriser

📌 L’entropie suit l’ordre Sgaz≫Sliquide>SsolideS_{gaz}\gg S_{liquide}>S_{solide}.

📐 Formule - L’entropie standard de réaction vaut ΔrS0(T)=∑iνiSm,i0(Ai,T)\Delta_rS^0(T)=\sum_i\nu_iS_{m,i}^0(A_i,T).

📐 Formule - Lors d’un changement d’état réversible à T₀, Δ1→2S0(A,T0)=Δ1→2H0(A,T0)T0\Delta_{1\to2}S^0(A,T_0)=\frac{\Delta_{1\to2}H^0(A,T_0)}{T_0}.

Compléments

📌 Si une réaction produit plus de gaz qu’elle n’en consomme, Δrνgaz > 0 et ΔrS⁰ doit être positif ; si elle en produit moins, Δrνgaz < 0 et ΔrS⁰ doit être négatif.

  • Pour |Δrνgaz| = 1, l’ordre de grandeur indiqué est |ΔrS⁰| ≈ 100 à 200 J·K⁻¹·mol⁻¹.

Astuce mémo

Fusion, vaporisation, sublimation absorbent ; solidification, liquéfaction, condensation cèdent.

12. Enthalpie libre et potentiel chimique

Notions clés & Définitions

  • Potentiel chimique : Enthalpie libre molaire partielle d’un constituant Aᵢ dans le mélange, exprimée en J·mol⁻¹.

★ À maîtriser

📌 À T et P constants, l’enthalpie libre diminue lors d’une évolution spontanée et est minimale à l’équilibre.

📐 Formule - Le potentiel chimique d’un constituant vérifie μi=μiREF+RTln⁡(ai)\mu_i=\mu_i^{\mathrm{REF}}+RT\ln(a_i).

📌 Lors d’un transfert spontané de matière entre deux phases à T et P constants, la matière s’écoule vers le potentiel chimique le plus faible ; à l’équilibre, les potentiels chimiques des phases sont égaux.

📐 Formule - L’enthalpie libre d’un système polyconstitué s’écrit G=∑iniμiG=\sum_i n_i\mu_i et l’enthalpie libre de réaction vaut ΔrG=∑iνiμi=ΔrH−TΔrS\Delta_rG=\sum_i\nu_i\mu_i=\Delta_rH-T\Delta_rS.

📐 Formule - L’enthalpie libre standard de réaction vaut ΔrG0(T)=∑iνiμi0(T)=ΔrH0(T)−TΔrS0(T)\Delta_rG^0(T)=\sum_i\nu_i\mu_i^0(T)=\Delta_rH^0(T)-T\Delta_rS^0(T) et dépend de T même si ΔrH⁰ et ΔrS⁰ en sont indépendants.

Compléments

📐 Formule - En l’absence de travaux autres que ceux des forces de pression, dG=−S dT+V dP−T δScrdG=-S\,dT+V\,dP-T\,\delta S_{cr} avec δScr≥0\delta S_{cr}\geq0.

  • Pour un gaz parfait pur, l’activité vaut P/P⁰ avec P⁰ = 1 bar ; pour une phase condensée pure, l’activité vaut 1.

  • Dans un mélange idéal de gaz parfaits, l’activité du gaz i vaut Pi/P⁰ et la loi de Dalton donne Pi = xiᵛP.

  • Pour un soluté d’une solution très diluée, l’activité vaut Ci/C⁰ avec C⁰ = 1 mol·L⁻¹.

Astuce mémo

À T et P constants, évolution spontanée → G diminue.

13. Quotient et constante d’équilibre

Notions clés & Définitions

  • Quotient réactionnel : Pour un bilan 0=∑iνiAi0=\sum_i\nu_iA_i, Qr=∏i actifsaiνiQ_r=\prod_{i\,\mathrm{actifs}}a_i^{\nu_i}.

★ À maîtriser

📌 Le quotient réactionnel est sans dimension et dépend explicitement de la pression et de la composition, tandis que sa valeur à l’équilibre K⁰(T) ne dépend que de la température.

📐 Formule - La relation entre enthalpie libre de réaction et quotient réactionnel est ΔrG=ΔrG0(T)+RTln⁡(Qr)\Delta_rG=\Delta_rG^0(T)+RT\ln(Q_r).

📐 Formule - À l’équilibre, Qr=K0(T)Q_r=K^0(T) et ΔrG0(T)=−RTln⁡K0(T)\Delta_rG^0(T)=-RT\ln K^0(T), soit K0(T)=exp⁡(−ΔrG0RT)K^0(T)=\exp\left(-\frac{\Delta_rG^0}{RT}\right).

📐 Formule - La relation de Van’t Hoff s’écrit d(ln⁡K0)dT=ΔrH0RT2\frac{d(\ln K^0)}{dT}=\frac{\Delta_rH^0}{RT^2}.

Compléments

📐 Formule - Pour un gaz parfait i en mélange idéal, ai=Pi/P0=xiP/P0=niRT/(VP0)a_i=P_i/P^0=x_iP/P^0=n_iRT/(VP^0), avec V en m³, P⁰ = 10⁵ Pa et T en K.

📐 Formule - Pour un soluté très dilué, ai=Ci/C0=ni/(VC0)a_i=C_i/C^0=n_i/(VC^0) ; l’activité d’un solide ou liquide seul dans sa phase, ainsi que celle d’un solvant, vaut 1.

📐 Formule - La température d’inversion Ti vérifie K0(Ti)=1K^0(T_i)=1, ΔrG0(Ti)=0\Delta_rG^0(T_i)=0 et, dans les conditions données, Ti=ΔrH0/ΔrS0T_i=\Delta_rH^0/\Delta_rS^0.

Astuce mémo

Q dépend de la composition ; K ne dépend que de T.

14. Sens d’évolution et équilibre

Notions clés & Définitions

  • Transformation totale : Une transformation totale a lieu lorsqu’au moins un réactif est entièrement consommé.
  • Variance : Nombre minimum de paramètres intensifs indépendants à fixer pour caractériser entièrement l’état d’équilibre et vaut V=P−R\mathcal V=\mathcal P-\mathcal R.

Points essentiels

📌 À T et P constants, l’évolution chimique vérifie ΔrG·dξ ≤ 0 : si ΔrG < 0, ξ augmente dans le sens direct ; si ΔrG > 0, ξ diminue dans le sens indirect ; si ΔrG = 0, le système est à l’équilibre.

📐 Formule - La relation entre sens d’évolution et quotient est ΔrG=RTln⁡(Qr/K0)\Delta_rG=RT\ln(Q_r/K^0).

📌 Si Qr < K⁰, le système évolue dans le sens direct ; si Qr > K⁰, il évolue dans le sens indirect ; si Qr = K⁰, il est à l’équilibre.

📌 La réaction est quasi-totale dans le sens direct si K⁰ > 10³, dans le sens indirect si K⁰ < 10⁻³, et le domaine d’équilibre chimique correspond à 10⁻³ < K⁰ < 10³.

Astuce mémo

Q < K : sens direct ; Q > K : sens indirect.

15. Déplacement des équilibres chimiques

★ À maîtriser

  • Une augmentation de température à pression et composition constantes augmente K⁰ pour une réaction endothermique directe et le diminue pour une réaction exothermique directe.

  • Une augmentation de température déplace l’équilibre dans le sens endothermique ; si ΔrH⁰ = 0, la température n’est pas un facteur d’équilibre.

  • À température constante, une perturbation de pression ou de composition modifie Qr mais pas K⁰, et le système évolue ensuite vers l’égalité Qr = K⁰.

  • À température et composition constantes, une augmentation de pression déplace l’équilibre vers le sens qui diminue le nombre total de moles gazeuses, lorsque cette variation distingue les sens de réaction.

  • L’ajout d’un gaz inerte à T et V constants ne modifie pas l’équilibre ; à T et P constants, il déplace l’équilibre vers le sens qui augmente le nombre de moles gazeuses.

  • L’ajout d’un gaz actif à T et V constants déplace l’équilibre dans le sens où ce gaz est consommé.

Compléments

📌 L’ajout d’une phase condensée inerte en faible quantité à température constante est sans effet sur l’équilibre.

Astuce mémo

Chauffer déplace vers le sens endothermique.

16. Équations différentielles linéaires

★ À maîtriser

📐 Formule - L’équation différentielle linéaire du premier ordre à second membre constant s’écrit dydt+yτ=Y\frac{dy}{dt}+\frac{y}{\tau}=Y ; sa solution homogène est yG=Ke−t/τy_G=Ke^{-t/\tau}, une solution particulière est yP=τYy_P=\tau Y et la solution complète est y=yG+yPy=y_G+y_P.

📐 Formule - Pour y¨+ω02y=ω02Y\ddot y+\omega_0^2y=\omega_0^2Y, la solution homogène est sinusoïdale de pulsation ω₀, une solution particulière est Y et la solution complète est leur somme.

📐 Formule - L’équation amortie forcée à second membre constant est y¨+ω0Qy˙+ω02y=ω02Y\ddot y+\frac{\omega_0}{Q}\dot y+\omega_0^2y=\omega_0^2Y ; la forme de sa solution homogène dépend du signe du discriminant.

📌 Pour l’équation amortie, Δ > 0 donne le régime apériodique, Δ < 0 le régime pseudopériodique et Δ = 0 le régime apériodique critique.

Compléments

  • Le mouvement d’un projectile soumis à un frottement fluide proportionnel à −h v et la charge d’un condensateur dans un circuit série E, R, C sont cités comme situations de l’équation différentielle du premier ordre.

📐 Formule - Pour y¨−ω02y=−ω02Y\ddot y-\omega_0^2y=-\omega_0^2Y, la solution homogène est une combinaison de fonctions exponentielles ou hyperboliques, une solution particulière est Y et la solution complète est leur somme.

📐 Formule - En régime sinusoïdal forcé, une solution particulière s’écrit yP(t)=Ymejωty_P(t)=Y_me^{j\omega t} en notation complexe, et l’équation donne (−ω2+jωω0/Q+ω02)Ym=A(-\omega^2+j\omega\omega_0/Q+\omega_0^2)Y_m=A.

17. Oscillateurs mécaniques amortis et forcés

★ À maîtriser

📐 Formule - Un oscillateur mécanique libre non amorti vérifie u¨+ω02u=0\ddot u+\omega_0^2u=0 et sa solution est une combinaison de sinus et cosinus de pulsation ω₀.

📐 Formule - Un oscillateur mécanique libre amorti vérifie u¨+ω0Qu˙+ω02u=0\ddot u+\frac{\omega_0}{Q}\dot u+\omega_0^2u=0 ou u¨+2ξω0u˙+ω02u=0\ddot u+2\xi\omega_0\dot u+\omega_0^2u=0, avec Q=1/(2ξ)Q=1/(2\xi).

📐 Formule - Un oscillateur mécanique forcé vérifie u¨+ω0Qu˙+ω02u=Acos⁡(ωt)\ddot u+\frac{\omega_0}{Q}\dot u+\omega_0^2u=A\cos(\omega t) ; après extinction du transitoire, le régime permanent est sinusoïdal à la pulsation ω.

📌 Il y a résonance d’élongation lorsque Q>1/2Q>1/\sqrt2, et la bande passante vaut Δω=ω0/Q\Delta\omega=\omega_0/Q.

Compléments

📐 Formule - La fonction de transfert complexe de l’oscillateur forcé est H=UmA=1−ω2+iωω0/Q+ω02H=\frac{U_m}{A}=\frac{1}{-\omega^2+i\omega\omega_0/Q+\omega_0^2}.

Astuce mémo

Q < 1/2 : apériodique ; Q = 1/2 : critique ; Q > 1/2 : pseudopériodique.

18. Alphabet grec en physique-chimie

★ À maîtriser

  • Les symboles Δ et δ désignent respectivement une variation d’une fonction d’état entre deux états quelconques et une variation élémentaire d’une grandeur qui n’est pas une fonction d’état.

Compléments

  • Quelques usages courants des lettres grecques sont :

    • α : angle ou taux d’avancement
    • γ : conductivité électrique
    • λ : charge linéique ou longueur d’onde
    • μ : masse volumique, moment dipolaire ou potentiel chimique
  • D’autres usages courants des lettres grecques sont :

    • ν : fréquence d’un photon ou coefficient stœchiométrique
    • ξ : avancement d’une réaction
    • τ : temps caractéristique
    • ρ : charge volumique ou résistivité
  • Les symboles suivants ont notamment ces usages :

    • σ : charge surfacique ou conductivité électrique
    • φ : phase ou déphasage
    • Φ : flux
    • ω : pulsation
    • Ω : unité de résistance électrique, l’ohm
  • Les lettres majuscules Π et Σ désignent respectivement un produit et une somme, tandis que Σ peut aussi désigner un système, une surface ou une section.

Tableaux de synthèse

Comparaison des champs électrostatiques et magnétiques

PropriétéÉlectrostatiqueMagnétostatique
SourcesCharges fixesCourants constants
Symétrie dans un planE est contenu dans un plan de symétrieB est perpendiculaire au plan de symétrie
Antisymétrie dans un planE est perpendiculaire au planB est contenu dans le plan
Théorème intégralFlux sur surface fermée : Qint/ε₀Circulation sur contour fermé : μ₀Ienlacé

Régimes de l’oscillateur amorti

ConditionRégimeRéponse libre
Q < 1/2ApériodiqueCombinaison d’exponentielles réelles
Q = 1/2Apériodique critique(At + B)e⁻ᵗ/τ
Q > 1/2PseudopériodiqueSinusoïde amortie exponentiellement

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1. Quelle branche de l’électromagnétisme étudie les champs électriques produits par des distributions de charges fixes dans le référentiel du laboratoire ?

2. Un modèle représente des charges comme une collection de charges ponctuelles fixes ; comment qualifie-t-on cette distribution, par opposition à une distribution décrite par des éléments mésoscopiques de charge ?

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Mémorisez les concepts clés de Outils d’électromagnétisme et thermodynamique avec 90 flashcards interactives.

Qu’étudie l’électrostatique ?

Les champs électriques créés par des distributions de charges fixes dans le référentiel du laboratoire.

Comment une distribution discrète de charges est-elle constituée ?

De charges ponctuelles fixes.

Comment une distribution continue de charges est-elle décrite ?

Par des éléments mésoscopiques de charge.

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