L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.
Il est difficile de faire des sciences physiques sans connaître et utiliser les outils mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) des formules d'électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...).
La loi de Coulomb (En physique, il existe deux lois de Coulomb, nommées en l'honneur du physicien français Charles...) et le principe de superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) permettent de déduire mathématiquement les mesures expérimentales de charges immobiles. Cet état est naturellement peu courant mais constitue une étape nécessaire dans la compréhension des lois de l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...) et de son extension : l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...) relativiste.
L'électrostatique s'est révélée particulièrement performante en biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les...) dans l'étude des protéines.
Il existe une expérience simple, que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le monde (Le mot monde peut désigner :) peut faire, permettant de percevoir une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) électrostatique : il suffit de frotter une règle en plastique avec un chiffon bien sec et de l'approcher de petits bouts de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...). Les papiers se collent à la règle. L'expérience est simple à réaliser, cependant l'interprétation n'est pas simple puisque, si la règle est chargée par frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...), les bouts de papiers ne le sont a priori pas ! Autre expérience du même style : un filet d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) est dévié si on approche un film de cellophane (La cellophane est un film fin et transparent constitué d'hydrate de cellulose. C'est un...).
Plus simplement, tout le monde a reçu une décharge en attrapant un chariot (Un chariot est un plateau équipé de quatre roues, et sert au transport de charges. Par...) par temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) très sec ou en descendant ou montant dans une voiture. Ce sont des phénomènes où il s'est produit une accumulation de charges, d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...), d'électricité statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut...) .
À partir de là, on peut considérer deux catégories de corps: les isolants où l'état d'électrisation (Le terme électrisation signifie charger d'électricité (ou de charges électriques) un objet.) se conserve localement et les conducteurs où cet état se répartit sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) du conducteur.
On constate aussi expérimentalement qu'il existe deux sortes de charges que l'on distingue par leurs signes, et que la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) est constituée de particules de charges variées, toutes multiples de celle de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), appelée " charge élémentaire " ; cependant en électrostatique on se contentera de dire que lorsque un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) est chargé en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...), il contient une densité volumique de charge (En électrostatique, la densité volumique de charge, souvent notée ρ, est la quantité nette...) ρ(x,y,z). Ceci correspond à une approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....), compte tenu de la petitesse de la charge élémentaire (La charge élémentaire est, en physique, la charge électrique d'un proton ou, de façon...).
L'équation fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de l'électrostatique est la loi de Coulomb, qui décrit la force d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre deux charges ponctuelles. Dans un milieu homogène, le seul cas que nous considérerons dans cet article, le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) par exemple, elle s'écrit :
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Ici, la constante ε est une constante caractéristique du milieu, appelée la " permittivité ". Dans le cas du vide, on la note ε0. Noter que la permittivité (La permittivité, plus précisément permittivité diélectrique, est une...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) est de 0,5 ‰ supérieure à celle du vide, et lui est donc souvent assimilée.
Notez que deux charges de même signe se repoussent et que deux charges de signes contraires s'attirent proportionnellement au produit de leurs charges et inversement proportionnellement au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) de leur distance ; notez aussi que les forces sont de valeur égale et de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) (principe de l'action et de la réaction).
Comme en gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...), l'action à distance se fait par l'intermédiaire d'un champ : le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique :
Produit par 1 en 2 : produit par 2 en 1 :
Le champ créé en M par n charges qi situées en des points Pi est additif (principe de superposition). Dans le cas d'une distribution de charges discrète :
Dans le cas d'une distribution ρ de charges continue dans l'espace, le champ causé par un petit volume chargé vaut :
et en intégrant sur tout l'espace où il y a des charges, on obtient:
où ρ est la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) volumique de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) en Pi, est le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) allant de Pi au point (Graphie) M. Dans l'élément de volume dxi dyi dzi autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du point Pi il y a un élément de charge ρ(xi,yi,zi) dxi dyi dzi. Les intégrales indiquent qu'il faut additionner, d'après le principe de superposition, sur tous les volumes contenant des charges.
Le potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de...) (dont les différences s'appellent tensions) est une notion courante et importante de l'électrostatique : c'est une fonction scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les...) dans l'espace, dont le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) est le gradient.
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et en calculant les dérivées partielles
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Toute l'électrostatique dans un milieu homogène est dans ces dernières formules, quoiqu'il faille remarquer que ces formules ne sont pas définies si le point de coordonnées (xi, yi, zi) porte une charge ponctuelle, ce qui n'est d'ailleurs qu'une approximation non-physique (ρ devrait y être infini).
On place la charge qui produit le potentiel en O et on regarde en le potentiel produit en M et son gradient. Tout ce paragraphe suppose que O et M ne coïncident pas ; sinon les formules n'auraient aucun sens. Posons :
Rappelons que, par définition des dérivées partielles :
Ce théorème indique que (démonstration sommaire) :
Ici dv = dx dy dz représente un volume élémentaire, que l'on peut considérer comme un parallélépipède (En géométrie dans l'espace, les parallélépipèdes sont des hexaèdres dont les six faces sont...) et les dSi représentent les contributions des 6 faces, chacune étant de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) égale à sa surface et orientée perpendiculairement à la face, vers l'extérieur. Si l'on divise un grand volume v en volumes élémentaires et si l'on somme sur tous ces volumes élémentaires, les contributions des faces situées à l'intérieur du volume se compensent exactement, et il ne reste que la contribution de la surface extérieure :
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pour n'importe quel volume. En particulier, considérons une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) chargée en volume par une densité volumique de charge ρ, ayant son centre en O et de rayon r suffisamment petit pour qu'on puisse négliger les variations de ρ :
est le vecteur normal à la surface dirigé vers l'extérieur, et de longueur égale à l'élément de surface dS qu'il représente.
Ce qui signifie que le résultat ne dépend pas de r ! et si on multiplie par où v est le volume de la sphère, on obtient:
où q est la charge totale ρv de la sphère
Soit au final :
D'où (Théorème de Gauss sous sa version locale) :
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et l'expression intégrée, connue par les physiciens sous le nom de théorème de Gauss :
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Article d'analyse vectorielle | |
Objets d'étude | |
Champ vectoriel | Champ scalaire |
Équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) aux dérivées partielles | |
de Laplace – de Poisson | |
Opérateurs | |
Nabla (Nabla, noté , est un symbole mathématique pouvant aussi bien désigner le gradient...) | Gradient |
Rotationnel (L'opérateur rotationnel est un opérateur différentiel aux dérivées...) | Divergence |
Laplacien scalaire | Bilaplacien |
Laplacien vectoriel | D'alembertien |
Théorèmes | |
de Green | de Stokes |
de Helmholtz | de flux-divergence |
du gradient | du rotationnel |
combine les relations précédentes pour donner une relation locale entre la distribution de charge et le potentiel :
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Voir l'article Nabla pour la signification du symbole très utile
On retrouve le fait que les influences des différentes charges s'ajoutent linéairement,c'est-à-dire que pour connaître la force exercée sur une charge par plusieurs autres charges, il suffit de calculer la force qu'exercerait chacune des charges prise isolément, et d'additionner les résultats : on retrouve bien le principe de superposition, autre manière d'exprimer la linéarité de la loi de Coulomb.
La loi de Coulomb est très proche de l'expression des forces gravitationnelles ; mais ces dernières sont (pour une particule donnée) beaucoup plus faibles. Pourtant, les forces électrostatiques ont peu d'effet à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), tandis que la gravitation explique le mouvement des astres.
Cela provient du fait qu'en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...), la matière contient autant de charges positives que de charges négatives et donc, au-delà de l'échelle des inhomogénéités, leurs influences se compensent. Pour la gravitation, au contraire, dont l'expression de la force a un signe opposé à celui de l'électrostatique, bien que les masses aient toutes le même signe positif, elles s’attirent toutes, au lieu de se repousser comme le font des charges électriques de même signe.
Les champs électriques peuvent rarement être calculés analytiquement par le calcul direct de la dernière formule mais peuvent toujours être calculés numériquement, surtout avec les progrès de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...).
Lorsqu'il existe des symétries, on peut souvent faire le calcul en appliquant le théorème de Gauss au champ électrique :
Voici quelques exemples de résultats de calcul pour des distributions de charges symétriques.
Pour un point M , le plan passant par M contenant l'axe Oz est un plan de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...), ainsi que celui passant par M et perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à l'axe Oz ; on en déduit que le champ résultant (En mathématiques, le résultant est une notion qui s'applique à deux polynômes....) n'a de composante que suivant :
Les invariances par translation suivant Oz et par rotation suivant θ permettent de déduire que Er ne doit pas dépendre des variables z et θ et donc :
Si pour appliquer le théorème de Gauss, on choisit un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) passant par M, d'axe Oz, de rayon r et d'épaisseur élémentaire dz :
respectivement :
Supposons que l'on a l'axe des x chargé sur un segment AB avec une densité de charge (La densité de charge électrique désigne la quantité de charge électrique...) linéique constante λ et, un point M (xM,yM) dans le plan xOy où l'on veut déterminer le champ produit par les charges réparties sur AB.
Considérons le point P(x,0) . Il est dans un intervalle dx de AB ayant une charge λdx. Ces charges créent en M un champ. Posant PM = r :
Il reste à faire les deux intégrales sur x pour obtenir les composantes de :
En constatant que :
On a utilisé :
, et
Pour une distributions de charge ayant une symétrie par rapport à un plan, il est facile de déduire que pour un point M du plan de symétrie, le champ résultant E(M) n'a de composantes que dans le plan de symétrie (la composante perpendiculaire au plan de symétrie s'annule : en regroupant les charges par paires symétriques, on constate cette nullité).
Exemple: Si on a une distribution sphérique de charge de centre O, alors tout plan passant par O est un plan de symétrie : en conséquence, le champ résultant en M est dans tous les plans contenant OM et donc puisque Eθ(r, θ, φ) = 0 et Eφ(r, θ, φ) = 0.
Plus généralement, si, pour une transformation euclidienne T, la distribution ρ(T(M)) est identique à ρ(M), le champ en T(M) sera le transformé par T de celui en M. On dit que la distribution est invariante par la transformation T.
C'est le cas, pour une distribution sphérique, par toute rotation autour du centre et on en déduit que le champ est purement radial, et sa valeur mesurée le long du rayon ne dépend que de sa distance au centre. En coordonnées polaires :
Ce résultat simplifie beaucoup les calculs.
Autre exemple : cas d'une symétrie cylindrique, avec invariance de ρ par symétrie par rapport à tout plan contenant Oz, ou perpendiculaire à Oz, on obtient :