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1 – Exercices : 19 - Champ electrostatique Sciences Physiques MP 2017-2018

Exercices : 19 - Champ electrostatique

A. Calculs de champ et de potentiel

1. Theoreme de superposition

Une sphere de rayon b porte une charge positive Q repartie uniformement sur sa surface.

1. Calculer le potentiel cree a l’interieur par la charge Q.

a) V =Q

4πε0

2

bb) V = 0 c) V =

Q

4πε0

1

bd) V =

Q

4πε0

1

2b

Deux spheres identiques a la precedente sont disposees symetriquement sur l’axe Oy par rapport a Oaux points A et B distants de 2a (avec a > b). Une troisieme charge −2Q consideree comme ponctuellese trouve en O.

2. Calculer le champ electrique cree par les trois charges en un point P de l’axe Ox d’abscisse x.

a) ~E =Q

4πε0

x

(2a2 + x2)3/2~ex b) ~E =

2Q

4πε0

[

x

(a2 + x2)3/2− 1

x2

]

~ex

c) ~E =Q

4πε0

[

x

(a2 + x2)3/2+

1

x2

]

~ex d) ~E =Q

4πε0

[

x

(a2 + x2)3/2− 1

x2

]

~ex

2. Energie d’une goutte chargee

Une goutte spherique de mercure, de charge en surface 8Q, se separe en 8 petites gouttes spheriques identiques(meme charge et meme diametre). Apres cette separation, ces 8 gouttes n’interagissent plus. L’energie potentielleelectrostatique d’une sphere avec une distribution continue de charge en surface, de rayon r et de charge q vautq2

8πε0rou ε0 est la permittivite du vide. Quel pourcentage de l’energie electrostatique initiale a ete converti, lors

de cette transformation, en une autre forme d’energie ?

Proposition de reponses :

a) 25% b) 75% c) 12, 5% d) 0%

3. Modelisation du noyau

Le noyau de certains atomes legers peut etre modelise par une distribution spherique de rayon a dont la charge

varie en fonction de la distance r au centre suivant la loi : ρ = ρ0

(

1− r2

a2

)

ou ρ0 est une constante positive et

r < a.

1. Calculer la charge du noyau.

2. Calculer le champ electrique pour un point M quelconque de l’espace situe a une distance r du centre Otelle r > a.

3. Calculer le champ electrique pour r < a. Y a-t-il continuite en r = a ?

4. Calculer le potentiel pour r > a.

5. Calculer le potentiel pour r < a. Y a-t-il continuite en r = a ?

Reponses : Q = 8π15 ρ0a

3, ~Er>a = 215ε0

ρ0a3

r2 ~er, ~Er<a = ρ0

ε0r(13 − r2

5a2 )~er, oui, Vr>a = 215ε0

ρ0a3

r , Vr<a = ρ0

ε0( r4

20a2 −r2

6 + a2

4 ), oui.

4. Modelisation de la jonction PN d’une diode ou d’un transistor

Lorsqu’un semi-conducteur presente, dans une region tres localisee de l’espace, une variation tres brutale de laconcentration en dopant, voire un changement de la nature du dopant, on dit qu’on a une jonction. Au voisinagede la jonction, dans une region dite ✭✭ zone de charge ✮✮, le cristal acquiert une distribution de charge electriquenon nulle que l’on se propose d’etudier. Les proprietes qui en resultent sont a la base de la caracteristique dediodes, des transistors et de tous les circuits integres ( ampli op en particulier).On considere un plan infini d’equation z = 0, portant une densite surfacique de charge σ constante. Ce plan estplonge dans un milieu quasi-isolant dans lequel la permittivite electrique est ǫrε0.

1. Determiner le champ electrique cree en tout point de l’espace en utilisant le theoreme de Gauss.

On se place dans le germanium, de permittivite relative ǫr et on suppose que la densite volumique decharge ρ invariante en x et en y autour d’une jonction situee dans le plan z = 0 a l’allure de la figure 1 :

JR Seigne Clemenceau Nantes

Sciences Physiques MP 2017-2018 Exercices : 19 - Champ electrostatique – 2

z

ρ

O−L1

L2

ρ1

ρ2

Figure 1 – Modelisation volumique de la jonction PN

2. Sachant que la distribution de charge est globalement neutre, etablir la relation verifiee par L1, L2, ρ1et ρ2.

3. Determiner le champ electrique en tout point M de l’espace. On utilisera l’equation de Maxwell relativeau champ electrique en utilisant le fait que le champ electrique est nul pour un point M situe a l’infini- cette propriete est la consequence de la neutralite globale de la distribution de charge localisee entrez = −L1 et z = L2.

4. En deduire le potentiel electrostatique V (M). On choisira l’origine des potentiels en z = 0.

5. Representer V (z).

6. Donner l’expression de la difference de potentiel V0 entre deux points situes de part et d’autre de la zonede charge.

7. La region (z > 0) a ete dopee avec de l’antimoine a raison de N2 = 1, 6× 1021 atomes Sb par m3, tandisque la region (z < 0) a ete dopee avec du bore, avec un nombre d’atomes N1 ≫ N2. On admet que dansla zone de charge, chaque atome Sb est ionise en Sb+. Les electrons ainsi liberes traversent spontanementle plan z = 0 et chaque atome de bore situe dans la zone de charge se transforme en un anion B−. Endeduire ρ1 et ρ2 en fonction de N1 et N2.

8. Le systeme ainsi constitue est une diode a jonction dont la tension de seuil est voisine de V0. En deduireune expression approchee de la largeur δ de la zone de charge.

9. Application numerique : calculer δ ; on donne : ε0 = 8, 85 × 10−12 F · m−1 ; ǫr = 16 ; V0 = 0, 3V ete = 1, 6× 10−19C.

5. Potentiel de Yukawa

Un plasma en equilibre thermique a la temperature T est forme d’electrons de charge −e et d’ions positifsde charge +e, qui se repartissent dans l’espace avec la densite particulaire (nombre de particules par unite de

volume) donnee par la loi de Maxwell-Boltzmann 1, n+ = n0 exp

(

− e

kBTV (r)

)

, n− = n′0 exp

(

+e

kBTV (r)

)

,

ou V (r) designe le potentiel electrostatique qui regne en un point M situe a la distance r d’une charge positiveponctuelle Q introduite au point origine O du plasma.

1. Le plasma etant globalement neutre a grande distance de O, relier n0 et n′0.

2. Determiner la densite volumique de charges ρ(r) en fonction de V (r). Simplifier cette expression dans lecas ou la temperature du plasma est assez elevee.

3. Etablir une equation locale verifiee par V (r).

4. Resoudre cette equation en determinant V (r). On pourra poser V (r) =f(r)

ret etablir une equation

differentielle du second ordre verifiee par f(r). Commenter.

Reponses : n′0 = −n0 ; ρ(r) = −2n0e sh

eV (r)kBT , ρ(r) = − 2n0e

2

kBT V (r) ; 1r2

ddr (r

2 dVdr ) = 2n0e

2

ε0kBT V (r) ; d2fdr2 − f

λ2 = 0

avec λ =√

ε0kBT2n0e2

, f(r) = A exp− rλ +B exp r

λ , B = 0 sinon cela diverge, si r → 0 V (r) = Ar (1−

rλ) assimilable

a Q4πε0r

, A = Q4πε0

, V (r) = Q4πε0r

exp− rλ , V (r) decroıt plus vite du fait de la repartition des ions positifs et

negatifs autour de la particule chargee.

1. Cette loi sera etudiee ulterieurement dans la partie du programme intitulee Thermodynamique statistique.



6. Champ de gravitation dans une grotte

Une planete est assimilee a une boule de centre O, de rayon R, de masse M uniformement repartie. Elle estcreusee d’une grotte spherique, de centre O′, de rayon R′, vide.

1. Determiner le champ de gravitation en un point de la grotte.

2. Expliciter le potentiel de gravitation φ, tel que G = −−−→gradφ, a l’exterieur de la planete, en un point M

caracterise par OM = r et O′M = r′.

Reponses : ~G = −GMR3

−−→OO′, uniforme ; V = −GM(1r − R′3

R3

1r′ ).

7. Developpement d’un potentiel de trois charges

Trois charges ponctuelles q sont disposees aux sommets P , Q, N d’un triangle equilateral de cotes a√3, de

centre O (intersection des hauteurs), voir la figure 2. Au voisinage de O, en un point M de coordonnees x, y etz le potentiel peut se mettre sous la forme :

V (x, y, z) = V0 + αx+ βy + γz +Ax2 +By2 + Cz2 +Dxy + Fyz +Gzx

x

y

Ozb

P

QN

Figure 2 – Ensemble de trois charges

1. Calculer le potentiel V0.

2. Deduire du calcul du champ electrostatique en O, la valeur des coefficients α, β et γ.

3. Utiliser la symetrie de la distribution des charges par rapport a certains plans de la figure pour calculerles coefficients D, F et G.

4. Utiliser la symetrie d’ordre 3 de la distribution des charges pour trouver la relation entre A et B (uneequipotentielle doit se superposer a elle-meme lors d’une rotation des axes Ox et Oy de 2π/3 autour deOz).

5. Deduire de l’equation de Laplace la relation entre A, B et C.

6. Calculer le potentiel en un point de l’axe Oz tres voisin de O. En deduire le coefficient C.

Reponses : V0 = 3q4πε0a

, α = β = γ = 0, D = F = G = 0, V (θ) = V (θ + 2π3 ) avec x = r cos θ et y = r sin θ d’ou

A = B, ∆V = 0 d’ou A+B + C = 0 ou C = −2A, V = 3q

4πε0√a2+z2

par DL V = V0 − 3q8πε0a3 z

2, C = − 3q8πε0a3 .

B. Cartes de champ

8. Champ electrique de deux charges ponctuelles

Les cartes de champ de potentiel fournie sur les figures 3 et 4 sont formees a partir de charges ponctuelles placeesdans le vide.

1. Sur chacune des deux cartes de champ, etudier la structure des lignes de champ et determiner le signedes charges ponctuelles utilisees.

2. Determiner le rapport des valeurs de ces deux charges.

3. Commenter la structure des equipotentielles.

9. Comparaison de cartes

Les cartes de champ de potentiel fournie sur les figures 5 et 6 sont formees a partir de charges ponctuelles placeesdans le vide.

1. Sur chacune des deux cartes de champ, etudier la structure des lignes de champ et determiner le signedes charges ponctuelles utilisees.

2. Determiner le rapport des valeurs de ces deux charges.

3. Commenter la structure des equipotentielles.



Figure 3 – Systeme de deux charges ponctuelles

C. Condensateur plan

10. Association de condensateurs

Un condensateur plan, d’epaisseur e et de surface S, est relie a un generateur qui maintient a ses bornes unedifference de potentiel U . On introduit une lame conductrice d’epaisseur e1 < e entre les armatures disposeede telle sorte que ses faces de surface identique a celle des armatures du condensateur soient paralleles a cesdernieres.

1. Donner l’expression de la charge Q0 du condensateur avant l’introduction de la lame.

2. Faire un bilan des charges presentes dans le systeme lorsque la lame metallique a ete introduite.

3. En deduire la capacite de l’ensemble condensateur - lame.

4. Calculer la charge Q stockee par le systeme en fonction de Q0.

Reponses : Q0 = ε0Se U , serie C = ε0S

e−e1, Q = Q0

ee−e1

.

11. Le condensateur comme microphone

Un microphone-condensateur est constitue de deux armatures conductrices planes, de surface S, l’une P1 fixe,l’autre P2 pouvant se deplacer legerement dans la direction Ox perpendiculairement a son plan. Soumis a unetension U0 entre P1 et P2, la charge est Q0 lorsque la distance entre P1 et P2 est e. On donne les valeurssuivantes : U0 = 400V, e = 3× 10−2mm et S = 15 cm2.

1. Calculer la capacite C0, la charge Q0 et la force F0 qui s’exerce entre les armatures. Pour cette derniere,on rappelle que la force subie par une armature est due au champ electrique cree par les charges porteespar l’autre armature.

Le condensateur est alors debranche du generateur fournissant la tension U0.

2. Le passage d’une onde de pression (onde sonore) au niveau de la membrane du microphone (solidaired’une des deux armatures du condensateur) entraıne un deplacement de celle-ci d’une valeur x telle quex = e/100. Afin d’enregistrer l’onde sonore doit-on utiliser un enregistreur de type voltmetre ou bien unenregistreur de type force comme un capteur piezoelectrique ? Justifier la reponse et discuter la sensibilitede la mesure.

Reponses : C0 = ε0Se = 0, 44 nF, Q0 = C0U0 = 1, 8 × 10−7C, F0 = Q0

U0

2e = 1, 2N, Q = Q0 ∀e, U = Q0

ε0Se,

F = Q0

2Ue =

Q20

2ε0S= Cte, type voltmetre, ∆U

U = ∆ee .



Figure 4 – Systeme de deux charges ponctuelles

12. Electrometre a plateaux

Un electrometre a plateaux est constitue de deux plateaux metalliques identiques, formes chacun de deux quartsde disque metalliques de meme rayon a, voir la figure 7. Les deux quarts de disques de la meme armature sontdisposes a 180◦ l’un de l’autre. Cet appareil permet de mesurer des tensions ou des quantites de charges.Ils sont disposes l’un au dessus de l’autre a la distance e et peuvent tourner l’un par rapport a l’autre d’un angleα. Dans leur position de repos, α vaut π/2. Lorsqu’ils tournent, un couple de rappel du a un fil de torsion estexerce sur le plateau superieur mobile, de valeur Γ = −k(α− π/2). On applique a l’ensemble une difference depotentiel V entre les plateaux. Cette difference de potentiel est maintenue constante.

1. Determiner les charges prises (Q,−Q) par les plateaux et l’energie electrostatique correspondante.

2. Determiner la position α de repos en fonction de V . Le couple de force electrostatique est donne, dans le

cas general, par la formule Γeldα =1

2(V dQ−QdV ).

Reponses : Q = ε0a2

e (π2 − α)V , E = ε0a2

2e (π2 − α)V 2 ; αrepos =π2 − ε0a

2

2ek V 2.

13. Accelerometre

On considere un condensateur plan de surface S, d’epaisseur e et de permittivite dielectrique ε0. Il est soumisa une difference de potentiel U .

1. Exprimer la densite volumique d’energie electrostatique dans le condensateur en fonction de U , e et ε0.

2. Exprimer l’energie totale du condensateur. En deduire l’expression de sa capacite.

3. Calculer sa capacite sachant que S = 16 cm2, e = 60µm et ε0 = 8, 85× 10−12 F ·m−1.

4. Montrer que chaque armature du condensateur subit une force electrostatique dirigee vers l’espace inter-

armatures de normeσ2

2ε0S ou σ est la densite surfacique de charge de l’armature positive.

Un accelerometre est constitue d’une masse parallelepipedique en alliage de titane, de dimension 4 ×4× 1 cm3, de masse m = 72 g et portee a un potentiel Vp. On constitue des paires d’electrodes, formantautant de condensateurs, en placant vis-a-vis des faces de la masse m des plaques portees a des potentielsdifferents, voir la figure 8.

5. En supposant la geometrie du systeme parfaitement symetrique, en appelant S la surface des electrodesen regard et e la distance qui les separe, exprimer la resultante des forces electrostatiques sur une directionperpendiculaire aux plus grandes surfaces de m. On note V1 le potentiel d’une des deux plaques et V2

celui de l’autre.



Figure 5 – Systeme de trois charges ponctuelles

6. Dans le cas ou les deux plaques intervenant sont portees a des potentiels +V et −V , donner l’expressionsimplifiee de la force resultante en fonction de V , Vp, S, e et ε0.

7. Expliquer comment le dispositif peut-etre utilise en accelerometre.

Reponses : ~E uniforme, E = Ue et ue = 1

2ε0~E2 = ε0U

2

2e2 ; Etot = ueSe = 12ε0S2e U2, C = ε0S

e ; C = 236 pF ; une

armature ne subit que le champ cree par l’autre armature Eautre = σ2ε0

, la charge etant σS, on a F = σ2

2ε0S =

ε0U2S

2e2 ; F = ε0S2e2

[

(Vp − V1)2 − (Vp − V2)

2]

; F = 2ε0Se2 V Vp ; si cette force equilibre le poids et qu’une acceleration

verticale vient a se produire, pour maintenir la masse a l’equilibre, il faut appliquer une tension pour compenser,on obtient ainsi une mesure de l’acceleration par le biais de la tension.

D. Dipole electrostatique

14. Dipole et spire chargee

Un dipole p est place au centre O d’une spire circulaire de rayon a portant la charge par unite de longueur λ,uniforme. p est aligne sur l’axe de la spire (cf. figure 9).

1. Calculer le champ electrique sur l’axe du dipole (hors programme).

2. En remarquant que le champ electrique n’est pas uniforme, calculer la resultante des efforts exerces surle dipole rigide.

Reponses : ~Esp = λa2ε0

z(a2+z2)3/2

~ez, ~F = p∂Ez

∂z ~ez = pλa2ε0

[ (a2+z2)3/2−3z2(a2+z2)1/2

(a2+z2)3 ]~ez et ~F = p ∂Ez

∂z

∣

∣

z=0~ez = pλ

2ε0a2 .

15. Doublet de fils infinis

Deux fils rectilignes, de tres grande longueur, disposes dans le vide, paralleles, distants de a, d’equations carte-

siennes respectives(

x =a

2, y = 0

)

et(

x = −a

2, y = 0

)

et de charges lineiques uniformes +λ et −λ, sont disposes

dans une certaine region de l’espace.

1. Determiner le potentiel cree en tout point de l’espace par cette distribution de charge.

2. Determiner la forme des surfaces equipotentielles.

3. Determiner une expression approchee du potentiel puis du champ crees en un point M du plan (Oxy),caracterise par les coordonnees polaires (r, θ) tel que r ≫ a.

Comparer aux resultats analogues pour un dipole de moment dipolaire electrique qa~ex. Commenter.

Reponses : V = λ2πε0

lnr2λ

−

r1λ+

; cercle ; V = λa2πε0r

cos θ, ~E = λa2πε0r2

cos θ~er +λa

2πε0r2sin θ~eθ.



Figure 6 – Systeme de trois charges ponctuelles

b

α

Figure 7 – Electrometre a plateaux vu du dessus

x

bb b

V1

bb

V2

b

b

b Vp

Figure 8 – Accelerometre

bO zp

Figure 9 – Dipole et fil circulaire


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