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Cours de physique-chimie tous niveaux

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TD EM1 : Champ électrostatique

Exercice 1 : forces d'interaction électrostatique

  1. Calculer la force électromagnétique qui lie un proton et un électron dans un atome.
  1. Comparer cette force avec la force gravitationnelle entre ces deux particules.
    Conclure.
  1. Calculer la force électromagnétique qui s'exerce entre deux protons au sein du noyau d'un atome. Pourquoi le noyau de l'atome n'explose t-il pas ?

Données

  • Charge élémentaire : $e=1.6\times10^{-19}$ C
  • Masse de l'électron : $ m_e = 9.31\times10^{-31} kg$
  • Masse du proton : $ m_p =1.67\times10^{-27} kg$
  • Rayon moyen d'un atome : $D=10^{-10}$ m
  • Rayon moyen d'un noyau d'atome : $d=10^{-15}$ m
  • Constante gravitationnelle : $G=6.67\times 10^{-11}$ SI
  • Permittivité du vide : $\epsilon_0=8.85\times10^{-12}$ SI

Exercice 2 : densités de charges

Un objet sphérique de rayon 1,5 cm porte la charge $Q = 3.3 µC$.

  1. Que vaut sa densité volumique de charge si on considère l'objet uniformément chargé en volume ?
  1. Que vaut sa densité surfacique de charge si on considère l'objet uniformément chargé en surface uniquement ?
  1. A combien d'électrons correspond cette charge électrique Q ?

Exercice 3 : champ électrique créé par deux charges ponctuelles

Représenter le champ électrique créé au point M dans les cas suivants :

image
image

Exercice 4 : élément infinitésimal de surface et surface

  1. Exprimer la surface élémentaire dS, située dans le plan xOy, en fonction des coordonnées cartésiennes puis en fonction des coordonnées polaires.
  1. En déduire, par un calcul intégral, la surface d'un carré de côté a (avec les coordonnées cartésiennes) puis la surface d'un disque de rayon R (avec les coordonnées cylindriques).

Exercice 5 : étude de symétries et d'invariances

  • On considère un plan infini uniformément chargé en surface.

    • Quel est le système de coordonnées le plus approprié pour ce problème ? Comment l'orienter (faire un dessin) ?
    • Etudier les symétries et invariances de la distribution et donner l'expression du champ $\overrightarrow{E}$ (variable(s) de dépendance et composante(s)) en un point M situé en dehors du plan.

    • Il existe un plan de symétrie particulier pour cette distribution.

      • Lequel est-ce ?

      • Quelle conséquence a son existence sur le champ électrique en deux points M et M' situés de part et d'autre du plan ? Faire un schéma et trouver une relation entre $\overrightarrow{E(M})$ et $\overrightarrow{E(M')}$.
  • On considère une sphère uniformément chargée en volume.
    • Quel est le système de coordonnées le plus approprié pour ce problème ?
    • Étudier les symétries et invariances de la distribution et donner l'expression du champ $\overrightarrow{E}$ (variable(s) de dépendance et composante(s)) en un point M situé en dehors de la sphère.

Exercice 6 : champ créé par un disque uniformément chargé (méthode intégrale)

Soit un disque de centre O, de rayon R, uniformément chargé et portant la densité surfacique de charge $\sigma$. On cherche l'expression du champ électrique créé par cette distribution en tout point de l'axe de révolution du disque.

  1. Choisir le système de coordonnées adéquat pour étudier cette distribution.
  2. Étudier les invariances et symétries de la distribution afin de simplifier l'expression du champ électrique.
  3. Trouver l'expression du champ électrique en utilisant la méthode intégrale.
  4. Comment trouver, à partir de cette situation, l'expression du champ électrique créé par un plan infini chargé uniformément en surface ?

Exercice 7 : champ créé par un cerceau uniformément chargé (méthode intégrale)

Soit un cerceau de rayon R uniformément chargé portant la densité linéique de charge $\lambda$ : trouver l'expression du champ électrique créé en un point M situé sur l'axe passant par le centre du cerceau.