Le théorème de Gauss

Electromagnetism, Physics · course

Voir tous les documents en mathématiques

(O.Granier)

Le théorème de Gauss

Olivier GRANIER

I – Flux du champ électrostatique

Définition :

Soit E(M) un champ électrostatique défini dans un domaine de l’espace.

r (ME

r n

θ

Surface (ΣΣΣΣ)

M

Surface élémentaire dS

(C) orienté

)

Soit (ΣΣΣΣ) une surface dont le contour (C) est orienté de manière arbitraire.

Le choix de cette orientation conditionne le choix du vecteur normal unitaire à la surface élémentaire dS centrée en M (règle du tire-bouchon ou de la main droite).

Olivier GRANIER

r (ME

)

r n

θ

Surface (ΣΣΣΣ)

M

Surface élémentaire dS

(C) orienté

On appelle flux élémentaire dΦΦΦΦ du champ E à travers la surface dS orientée la quantité : r

r (=Φ ). dSnME

d

Le flux total du champ E à travers toute la surface est alors :

r ). dSnME

r

(

=Φ

∫∫ Σ

(

)

Intérêt physique du flux :

ME Le flux « compte » les lignes de champ qui traversent la surface (le flux est maximal lorsque θ θ θ θ = 0 et nul pour θ θ θ θ = ππππ/ 2 ).

(=Φ d

θcos

dS

)

Olivier GRANIER

Cas d’une surface fermée :

Exemples de surfaces fermées (elles délimitent un volume fini) :

Surface fermée (ΣΣΣΣ)

M

dS

r n

r (ME

)

Le vecteur normal n est choisi, par convention, dirigé vers l’extérieur du volume délimité par la surface fermée.

On définit alors le flux sortant à travers la surface fermée, que l’on note : r ). dSnME

r

(

=Φ S

∫∫ Σ

(

)

Olivier GRANIER

II – Le théorème de Gauss

Le théorème de Gauss permet d’évaluer le flux du champ électrostatique sortant d’une surface fermée, en fonction des charges contenues à l’intérieur de cette surface.

On considère une charge ponctuelle q placée en O et on choisit comme surface fermée la sphère ΣΣΣΣ(O,r) de centre O et de rayon r.

On évalue le flux sortant du champ électrique à travers ΣΣΣΣ(O,r). r r ). uME

r ru

r n

=

(

(

=

dS

r

r (ME

)

M

dS

O

q

d =Φ S r ( ME

)

=

r

r ). dSnME r ru

q 2

1 4 πε 0 q 4πε 0

r 1 2

r

ΣΣΣΣ(O,r)

d S =Φ

dS

Olivier GRANIER

En intégrant sur toute la sphère (sur laquelle r est constant) :

=Φ S

q 4 πε 0

1 2

r

S

sphère

=

q 4 πε 0

1 2

r

4(

r π

2

)

soit

=Φ S

q ε 0

Généralisation : on considère des charges ponctuelles qint placées à l’intérieur d’un volume délimité par une surface fermée (ΣΣΣΣ) quelconque.

Surface fermée (ΣΣΣΣ)

qint

Volume intérieur (V)

r (ME

qint

dS

M

qint

r n

)

=Φ S

∫∫

(

=Φ S

Σ

) 1 ε 0

r ). dSnME

r

(

∑

q

int

Olivier GRANIER

Cas de charges extérieures à la surface fermée :

Surface fermée (ΣΣΣΣ)

r2

r (1 ME

)

M2

dS2

r 2n

r (2 ME

)

r 1n

M1

qext

r1

dS1

Le flux sortant du champ créé par la charge qext à travers la surface fermée est nul (les flux à travers dS1 et dS2 se compensent deux à deux : les champs diminuent comme 1 / r2 mais les surfaces dS augmentent comme r2).

Olivier GRANIER

Énoncé du théorème de Gauss :

Les charges qint et qext créent un champ E en tout point M de l’espace.

Surface fermée (ΣΣΣΣ)

qint

Volume intérieur (V)

qint

r (ME

r n

qint dS

M

qext

)

=Φ S

∫∫

(

=Φ S

Σ

) 1 ε 0

r ). dSnME

r

(

∑

q

int

Le flux du champ sortant d’une surface fermée est égal au produit par 1/εεεε0 de la somme des charges intérieures à la surface ; ce flux est indépendant de leur position et de la présence de charges extérieures.

Olivier GRANIER

Cas d’une répartition volumique de charges :

Soit ρρρρ la densité volumique de charges.

Surface fermée (ΣΣΣΣ)

ρρρρ

Volume intérieur (V)

dS

M

ρρρρ

r (ME

)

r n

=Φ S

∫∫

(

Σ

)

r ). dSnME

r

(

=

1 ε 0

∫∫∫

( V

)

) dP τρ

(

Olivier GRANIER

Topographie du champ électrostatique

2q

- q

Nombre de lignes : les lignes partant de + 2q sont deux fois plus nombreuses que celles qui arrivent en – q.

Olivier GRANIER

III – Applications du théorème de Gauss

Méthode de raisonnement : choix d’une surface de Gauss (ΣΣΣΣ) puis :

=Φ S

∫∫

(

Σ

)

r ). dSnME

r

(

=

Publicité

∑

q

int

1 ε 0

Calcul direct du flux en utilisant les propriétés de symétrie fortes du champ (si elles existent !)

Calcul des charges intérieures à la surface de Gauss choisie.

L’identification des deux expressions du flux sortant donne ensuite la valeur du champ en tout point de l’espace.

Olivier GRANIER

1 – Sphère ΣΣΣΣ(O,R) uniformément chargée en volume :

r r rurEME =

)(

(

)

r ru

O

ρρρρ

ΣΣΣΣ(O,R)

r

M

=Φ S

=Φ S

=Φ S

Surface de Gauss ΣΣΣΣ(O,r)

r ). dSnME

r

(

rr . )( uurE r

r

dS

)( dSrE

=

)( SrE

Σ

(

), rO

Σ

)

Σ

)

Σ

)

(

∫∫ ∫∫ ∫∫

(

(

π=Φ

4

S

2

)( rEr

Olivier GRANIER

r r rurEME =

)(

(

)

r

M

r ru

O

ρρρρ

ΣΣΣΣ(O,R)

Surface de Gauss ΣΣΣΣ(O,r)

Si r > R :

q

int

=

4 3

ρπ 3 R

=

Q

Si r < R :

q

int

=

4 3

3 r ρπ

=

3

Q

  

r R

  

Q désignant la charge totale portée par la sphère ΣΣΣΣ(O,r).

Olivier GRANIER

L’application du théorème de Gauss donne alors :

Pour r > R :

)( rE

=

1 4 πε 0

Q 2

r

et

r E

=

1 4 πε 0

Q 2

r

r ru

C’est équivalent au champ dû à une charge ponctuelle Q placée en O.

Pour r < R :

)( rE

=

1 4 πε 0

Q 3

R

r

et

r E

=

1 4 πε 0

Q 3

R

r ur

r

=

1 4 πε 0

Q 3

R

r r

Le champ varie linéairement avec la distance au centre r (il est notamment nul au centre de la sphère).

Olivier GRANIER

Représentation graphique du champ E(r) (pour Q > 0) :

E(r)

1 4 πε 0

Q 2

R

1 4 πε 0

Q 2

r

0

R

r

Olivier GRANIER

Détermination du potentiel :

La relation intrinsèque entre le champ et le potentiel donne ici, en coordonnées sphériques : r E

grad

)( rE

−=

−=

⇒

V

dV dr

Pour r > R :

dV dr

−=

1 4 πε 0

Q 2

r

' oùd

)( rV

=

1 4 πε 0

Q r

en ayant choisit V(r) nul à l’infini (pas de charges à l’infini).

On retrouve l’expression du potentiel créé par une charge ponctuelle Q placée en O.

Olivier GRANIER

Pour r < R :

dV dr

−=

1 4 πε 0

Q 3

R

r

soit

)( rV

−=

1 2

1 4 πε 0

Q 3

R

2

r

+

K

La constante K s’obtient en écrivant la continuité du potentiel en r = R :

( RV

)

−=

1 2

1 4 πε 0

K

=

Q 3

R 3 2

2

R

+

K

=

1 4 πε 0

Q R

1 4 πε 0

Q R

Soit :

)( rV

=

1 2

1 4 πε 0

Q R

   

3

−

2

r

2

R

   

Olivier GRANIER

Représentation graphique du potentiel V(r) (pour Q > 0) :

V(r)

3 2

1 4 πε 0

1 4 πε 0

Q R

Q R

1 4 πε 0

Q r

0

R

Publicité

r

Olivier GRANIER

2 – Sphère uniformément chargée en surface :

L’application du théorème de Gauss donne alors :

Pour r > R : (avec Q = 4ππππR2σσσσ) r 1 E 4 πε 0

)( rE

Q 2

=

r

;

=

1 4 πε 0

Q 2

r

r u

r

;

)( rV

=

1 4 πε 0

Q r

C’est équivalent au champ et au potentiel dus à une charge ponctuelle Q placée en O.

Pour r < R :

q

int

=

0

;

r E

r 0

=

;

V

=

cste

=

1 4 πε 0

Q R

Le champ est donc nul à l’intérieur de la sphère chargée en surface.

Il y a continuité du potentiel pour r = R.

Olivier GRANIER

Représentation graphique du champ E(r) (pour Q > 0) :

E(r)

1 4 πε 0

Q 2

R

E =∆

1 4 πε 0

Q 2

R

=

σ ε 0

Discontinuité « habituelle » du champ

1 4 πε 0

Q 2

r

0

R

r

Olivier GRANIER

Représentation graphique du potentiel V(r) (pour Q > 0) :

V(r)

1 4 πε 0

Q R

Le potentiel est continu en r = R

1 4 πε 0

Q r

0

R

r

Olivier GRANIER

3 – Cylindre infini uniformément chargé en volume : ∞

z

H

ρρρρ

O

r

r ru

∞

M

P

x

r r rurEME =

)(

(

)

y

Olivier GRANIER

h

ΣΣΣΣ1

ΣΣΣΣlat

ΣΣΣΣ2

x

z

H

O

ρρρρ

∞

r ru

∞

Surface de Gauss (cylindre (C) d’axe Oz, de hauteur h et de rayon r)

r

M

r r rurEME =

)(

)

(

y

Olivier GRANIER

Calcul direct du flux sortant :

=Φ S

∫∫

(

C

)

r .) dSnME

r

(

=Φ S

∫∫

(

Σ 1

)

rr . dSnurE 1 r

)(

+

∫∫

(

Σ

2

)

rr . dSnurE r

)(

2

+

∫∫

(

Σ

lat

)

rr . dSuurE r

)(

r

=

0

car

r u

r

r n 1

⊥

=

0

car

r u

r

r n

2

⊥

=Φ S

∫∫

(

Σ

lat

)

rr . dSuurE r

)(

r

=

)( rE

∫∫

(

Σ

lat

)

dS

2 π=

)( rEhr

S π=Φ

2

)( rEhr

Olivier GRANIER

Calcul des charges intérieures : q

Pour r > R :

π hR

int =

ρ

2

Pour r < R :

q

int =

2 ρπ hr

L’application du théorème de Gauss donne alors :

Pour r > R :

Pour r < R :

.

)( rE

=

ρ 2 ε 0

2

R r

)( rE

=

ρ 2 ε 0

r

et

et

r ( ME

)

=

ρ 2 ε 0

r ru

2

R r

r ( ME

)

=

r rur

ρ 2 ε 0

Olivier GRANIER

Publicité

Détermination du potentiel :

La présence de charges à l’infini ne permet pas d’annuler le potentiel à l’infini. On choisit arbitrairement la surface du cylindre (pour r = R) au potentiel nul, par exemple. ρ 2 ε 0

Pour r > R :

ρ 2 ε 0

dV dr

)( rV

donc

R r

−=

−=

ln(

K

R

+

r

)

2

2

Pour r < R :

)( rV

=

ρ 2 ε 0

2

R

ln(

R r

)

ρ 2 ε 0 Par continuité du potentiel en r = R, on obtient :

dV dr

)( rV

donc

−=

−=

r

1 22

ρ ε 0

2

r

+

K

'

)( rV

=

( R

2

)2

−

r

ρ 04 ε

Olivier GRANIER

4 – Plan infini uniformément chargé en surface :

r r zuzEME =

)(

(

)

2z

σσσσ

(S)

M

z

O

y

x

(S)

Surface de Gauss

MS r ( ME

)

−=

S

r )( uzE

z

Olivier GRANIER

Représentation graphique du champ E(z) (pour σσσσ > 0) :

E(z) σ 02ε

=∆E

σ 0ε

z

Discontinuité « habituelle » du champ

0

−

σ 02ε

Olivier GRANIER

5 – Charges volumiques positives entre deux plans (ex n°8) :

Des charges positives sont contenues entre les deux plans x = + a et x = - a, avec une densité volumique uniforme ρρρρ.

Calculer le champ et le potentiel en tout point de l'espace On admet que le plan x = 0 est au potentiel V0.

y

ρρρρ

0

M

x

z

Olivier GRANIER

Représentation graphique du champ E(x) (pour ρρρρ > 0) :

E(x) ρa 0ε

Le champ est ici continu (propriété des distributions volumiques)

- a

0

a

x

−

ρa 0ε

x

−<

)( xEa

:

−=

a ρ ε 0

x

>

)( xEa

:

=

a ρ ε 0

<<−

a

x

)( xEa

:

=

x

ρ ε 0

Olivier GRANIER

Représentation graphique du potentiel V(x) (pour ρρρρ > 0) :

V(x)

0V

)(aV

x

>

a

:

)( xV

=

a ρ ε 0

  

x +−

a 2

 + 

V 0

0

x <<

)( xVa

:

−=

ρ 2 ε 0

2

x

+

V 0

- a

0

a

x

Le potentiel est une fonction paire.

La pente du potentiel est continue en x=+a et x=-a.

Olivier GRANIER

6 – Théorème de Gauss et principe de superposition (ex n°12) :

On considère un plan infini percé d'un trou circulaire de rayon R, et chargé uniformément en surface.

A l'aide du principe de superposition, calculer le champ électrostatique en un point M situé sur l'axe du trou.

M (z)

z

O

y

x

σσσσ

Olivier GRANIER

IV – Théorème de Gauss pour le champ gravitationnel

Analogies formelles :

r f

élec

=

1 4 πε 0

qQ 2

r

r u

r

r f

grav

−=

G

r u

r

mM 2

r

=Φ S

∫∫

(

Σ

)

r ). dSnME

r

(

1 4 πε 0

G−⇔

q ⇔

m

=

1 ε 0

∑

q

int

=Φ S

∫∫

(

Σ

)

r ). dSnMG

r

(

4 G −= π

∑

m

int

Olivier GRANIER

Exemples (ex n°16) :

Utiliser le théorème de Gauss pour calculer le champ gravitationnel créé par une sphère de masse M en tout point de l'espace, dans les deux cas suivants :

*** Sphère creuse (densité surfacique σσσσ = cste).

*** Sphère pleine (masse volumique ρρρρ = cste).

Olivier GRANIER