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Physique · Écoles d'ingénieurs — INPT

Électrostatique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Loi de Coulomb : La force exercée par une charge $q_1$ sur $q_2$ est $\vec{F} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2} \vec{u}$.
  • Champ électrostatique : $\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}$. Pour une charge ponctuelle : $\vec{E} = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2} \vec{u}$.
  • Potentiel : $V(M) = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$. Relation : $\vec{E} = -\vec{grad} V$.
  • Théorème de Gauss : $\Phi_E = \iint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{Q_{int}}{\varepsilon_0}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Utilisation de Gauss : Choisir une surface de Gauss (sphère, cylindre) ayant la même symétrie que la distribution de charges.
  2. Superposition : Si plusieurs charges, $\vec{E}_{total} = \sum \vec{E}_i$.
  3. Calcul de potentiel : Utiliser $V = \int \vec{E} \cdot d\vec{l}$ ou sommer les potentiels créés par chaque charge.

Exemples corrigés

  • Champ d'un plan infini : Par symétrie, $\vec{E} = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0} \vec{n}$.
  • Champ d'une sphère chargée : À l'extérieur ($r>R$), elle se comporte comme une charge ponctuelle au centre.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le vecteur unitaire $\vec{u}$ dans l'expression de $\vec{E}$.
  • Confondre le signe de la charge dans le calcul du potentiel.
  • Mal choisir la surface de Gauss (elle doit être adaptée à la symétrie).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Électrostatique

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Le champ créé par une charge ponctuelle $q$ à une distance $r$ est :

❓ Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une surface équipotentielle ?
  1. C'est l'ensemble des points où le potentiel $V$ est constant.
  2. Les lignes de champ sont toujours perpendiculaires aux surfaces équipotentielles.

💡 À retenir : Le déplacement d'une charge sur une équipotentielle ne demande aucun travail.

Est-ce que le champ est nul à l'intérieur d'un conducteur en équilibre ?
  1. Oui, car les charges se déplacent jusqu'à ce que la force résultante soit nulle.
  2. S'il y avait un champ, les charges bougeraient encore.

💡 À retenir : À l'intérieur d'un conducteur en équilibre, $\vec{E} = \vec{0}$.

Pourquoi on utilise vec{u} dans la formule de Coulomb ?
  1. Pour donner la direction de la force.
  2. $\vec{u}$ est le vecteur unitaire dirigé de la charge source vers le point M.

💡 À retenir : $\vec{u} = \frac{\vec{r}}{r}$.

Chno l-3alaqa bin l-flux w l-ch7na dakhliya ?
  1. C'est le théorème de Gauss : $\Phi = \frac{Q_{int}}{\varepsilon_0}$.
  2. Le flux ne dépend que de la charge enfermée, pas de la forme de la surface.

💡 À retenir : Toute charge extérieure à la surface a un flux nul à travers elle.

Le champ électrique dépend-il de la masse de la particule ?
  1. Non, le champ électrique est indépendant de la particule test.
  2. La force dépend de la charge, mais pas le champ lui-même.

💡 À retenir : Le champ est une propriété de l'espace créé par les charges sources.

Quelle est la différence entre le champ électrique et le potentiel électrique ?
  1. Le champ électrique $\vec{E}$ est une grandeur vectorielle qui décrit la force subie par une charge.
  2. Le potentiel électrique $V$ est une grandeur scalaire qui décrit l'énergie potentielle par unité de charge.
  3. Ils sont liés par la relation $\vec{E} = -\vec{grad} V$.

💡 À retenir : Le champ est une "force" (vecteur), le potentiel est une "altitude" (scalaire).

Kifach n3ref wach nst3mel Gauss wla Coulomb ?
  1. Si tu as une distribution de charges avec une symétrie parfaite (sphérique, cylindrique ou plane), utilise le théorème de Gauss.
  2. Si tu as des charges ponctuelles isolées, utilise la loi de Coulomb.

💡 À retenir : Gauss est un outil de simplification pour les distributions continues symétriques.

Est-ce que le potentiel est nul à l'infini ?
  1. Par convention, pour une charge ponctuelle ou une distribution finie, on choisit $V = 0$ à l'infini.
  2. Pour un plan infini, on ne peut pas poser $V=0$ à l'infini, on choisit une référence locale.

💡 À retenir : Le potentiel est toujours défini à une constante près.

Chno hiya l-far9 bin varepsilon0 w varepsilon ?
  1. $\varepsilon_0$ est la permittivité du vide (constante universelle).
  2. $\varepsilon$ est la permittivité du milieu, avec $\varepsilon = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r$.

💡 À retenir : $\varepsilon_r$ est la permittivité relative du milieu.

Comment calculer le champ créé par un fil infini ?
  1. Utiliser le théorème de Gauss avec un cylindre de rayon $r$ et de longueur $L$ centré sur le fil.
  2. Le flux est $\Phi = E \cdot 2\pi r L$.
  3. La charge intérieure est $Q_{int} = \lambda L$.
  4. Donc $E = \frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$.

💡 À retenir : Le champ décroît en $1/r$ pour un fil.

Kifach n7seb l-majal ila kan 3ndi bezzaf dyal l-ch7nat ?
  1. Tu calcules le champ créé par chaque charge individuellement au point M.
  2. Tu fais la somme vectorielle : $\vec{E}_{total} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + ...$
  3. Attention : il faut projeter les vecteurs sur les axes (Ox, Oy).

💡 À retenir : Le principe de superposition est la règle d'or.

Le potentiel peut-il être négatif ?
  1. Oui, le potentiel est une valeur algébrique.
  2. Il est négatif si la charge source est négative.

💡 À retenir : Le signe du potentiel dépend du signe de la charge source.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère une sphère isolante de rayon $R$ portant une charge totale $Q$ uniformément répartie en volume. Déterminer le champ électrostatique $\vec{E}$ en tout point de l'espace.

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Exercice 2

Deux charges ponctuelles $q_1 = +q$ et $q_2 = -q$ sont placées en $A(-a, 0)$ et $B(a, 0)$. Calculer le potentiel $V$ au point $M(0, y)$.

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Exercice 3

Un plan infini porte une densité surfacique de charge $\sigma > 0$. Calculer le champ $\vec{E}$ de part et d'autre du plan.

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