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Force et Champ Electrostatique

Posté par
Loikadesi
06-11-14 à 15:34

Bonjour a tous,
J'ai besoin d'aide pour ce problème en physique sur le Champ et la force E;
Un electron peut se déplacer sur l'axe central d'un anneau chargé de rayon R. Démontrer que la force électrostatique qui s'exerce sur l'electron peut le faire osciller autour du centre de l'anneau a une fréquence angulaire
Omega= Racine (eq/4∏εmR^3)
ou q est la charge de l'anneau et m la masse de l'electron.
Merci.

Posté par
prbebo
Force et Champ Electrostatique 07-11-14 à 09:28

Bonjour Loikadesi,

Aucune difficulté dans cet exercice :

1 -  Il faut d'abord calculer le champ électrostatique qui existe en un point M de l'axe de l'anneau. Voir la figure ci-dessous, en appelant R le rayon de l'anneau, Q sa charge, Ox son axe et en posant OM = x. Le calcul se fait en décomposant l'anneau en éléments de longueur dl tels que celui placé en P. Cet élément porte une charge dq = .dl, où est la densité linéique de charge ( = Q/2R).
Cet élément crée en M le champ dE de norme dq/40/MP2 (je mets en gras les grandeurs vectorielles). Il faut projeter dE sur l'axe Ox, soit un vecteur dE1 de norme dE.cos, où cos = R/MP. On arrive facilement à dE1 = .x/(40/MP3).dl. L'intégration est immédiate, car la somme des éléments dl donne 2R.
Le champ électrostatique en M a donc pour norme E1 = Q/(40).x/MP3.

2 -  Il faut se placer au voisinage du centre O de l'anneau, car c'est dans cette région que E1 varie linéairement avec x (je n'ai pas le temps de tracer la courbe E1 = f(x), et de plus tu as le niveau d'études suffisant pour la tracer tout seul).
Au voisinage de x = 0, MP3 R3 et on obtient E1 = Q/(40).x/R3.

Plaçons en M une charge de signe opposé à Q (un électron de masse m, en supposant que l'anneau est chargé positivement). L'électron est soumis à la force F = -e.E1 de norme -kx en posant k = eQ/(40)/R3.
Le mouvement de l'électron est donc donné par md2x/dt2 = -kx ou encore d2x/dt2 = -2x, en posant 2 = k/m, constante positive.

On retrouve l'équation différentielle ultra classique d'une masse m soumise à une force de rappel proportionnelle à sa position x (masse accrochée à un ressort, programme de terminale…).
Sous réserve que x reste petit, l'électron a donc un mouvement d'oscillation de part et d'autre de O, avec une pulsation qui, si tu remplaces k par son expression, va beaucoup ressembler au résultat qui t'est demandé.

Force et Champ Electrostatique

Posté par
prbebo
Force et Champ Electrostatique 07-11-14 à 09:51

PS à mon post précédent :

voici ici le calcul du champ sur l'axe de l'anneau, en calculant d'abord le potentiel en x (appelé z sur ce site) puis en en prenant le gradiant (E= -V/x), ainsi que le tracé de la courbe donnant la norme du champ en fonction de la position de M.



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