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Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme

Posté par
gauthierthom
11-11-20 à 21:13

Bonjour à tous,
Je rencontre des difficultés concernant un exercice en électromagnétisme.
Voici l'énoncé :
Soit une sphère pleine chargée uniformément et comportant une cavité en son centre. Soit b le rayon de la cavité, ρ la densité volumique de charge et a le rayon de la sphère.

1) A l'aide du théorème de Gauss, exprimez E(r) pour r<b,  b≤r≤a et r≥a
2) En déduire V(r) pour r<b,  b≤r≤a et r≥a

Voici mes éléments de réponse :

1) Pour r < b, SGErdS=Qint/0=0
D'où Er=0

pour b≤r≤a, SGErdS=ErSGdS=Qint/0
Er(4(r2-b2)) = ρ(4(r2-b2))/0
D'où Er=ρ/0

pour r≥a, SGErdS = ρ/0
= Er4r2=ρ/0
d'où Er=ρ/4r20

2) V(r) pour r≥a :

V(r) = ρ/40r

V(r) pour b≤r≤a :

V(r) = (4ρr(a-b)-1)/40r

V(r) pour b > r :

V(r) = ρ/40b

Je pense qu'il y a des erreurs mais je n'arrive pas à savoir où, si quelqu'un peut m'aider, je suis preneur !
Merci d'avance, Gauthier

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 11-11-20 à 21:40

Bonsoir
Plusieurs erreurs...
Pour toutes valeurs de R, le flux de E fait intervenir  4r2E.
Pour le calcul de la charge électrique intérieure, utiliser l'expression du volume d'une boule  :
(4/3)r3

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 07:53

Bonjour varoise,
Si j'ai bien compris, il faut que je recommence en ne faisant pas intervenir 4r2E ?

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 11:29

J'espère que tu as été capable, en raisonnant sur les symétries et les invariances de la source du champ, que le vecteur champ est radial avec une norme E ne dépendant que de r. L'application du théorème de Gauss à une sphère de centre O et de rayon r quelconque conduit à :

4\pi.r^{2}.E=\dfrac{Q_{int}}{\varepsilon_{o}}

J'insiste : cette formule est valide quelle que soit la valeur de r ; c'est uniquement l'expression de Qint qui change en fonction du domaine étudié.

Pas de problème pour r<b puisque Qint=0.

Pour b <r < a, les charges sont localisées entre la sphère de rayon r et la sphère de rayon b. Je t'ai rappelé dans mon message précédent l'expression du volume d'une boule de rayon r...

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 15:01

Merci pour l'aide !
J'obtiens Er=ρ(b3-r3)/30r2
Est-ce bien cela ?

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 15:15

En revanche, concernant les symétries, je suis en mesure de dire que la norme E ne dépend que de r mais je ne comprends pas pourquoi..
Si vous pouvez m'éclairer, je serais très preneur !
Merci d'avance

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 15:52

pour V(r) en prenant b≤r≤a, j'ai (ρ/0)(((r2-a2)/6)+((ab3-rb3)/3ar)+(1/4r))
Est-ce bon ?

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 12-11-20 à 17:36

Influence des symétries de la source : tout plan contenant OM est plan de symétrie de la source. Le vecteur champ en M, pour appartenir à la fois à cette infinité de plans de symétrie, doit être colinéaire à OM, donc radial.
Influence des invariances de la source : faire tourner la source autour de son centre O pour un point M fixe ne modifie pas le champ en M. Faire tourner la boule creuse et le repère qui y est lié revient à faire varier les coordonnées sphériques de M : et . Conséquence : la norme du vecteur E en M, ne dépend pas de et ; cette norme ne peut donc dépendre que de r.
Plus de détails ici, parties I et V.1 :

Peux-tu fournir tes expressions de E pour b<r<a et pour r>a ?
Pour le potentiel : l'absence de charges à l'infini permet de considérer que le potentiel V tend vers zéro quand r tend vers l'infini. Il faut donc intégrer la relation :
E=-dV/dr et tenir compte de la remarque précédente pour obtenir la constante d'intégration.
On intègre ensuite cette relation même relation pour b<r<a ; la constante d'intégration s'obtient en raisonnant sur la continuité du potentiel en r=a.
Le potentiel constant en r<b s'obtient en raisonnant sur la continuité du potentiel en r=b.

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 13-11-20 à 10:40

pour b≤r≤a :  Er=ρ(b3-r3)/30r2

pour r>a : Er = ρa2/30r2

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 13-11-20 à 10:52

Premier cas : problème de signe : r > b .
Deuxième cas : résultat faux ; Qint représente la charge contenue entre la sphère de rayon "a" et la sphère de rayon "b". Attention : de plus, ton résultat n'est pas homogène...

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 13-11-20 à 10:56

pour r>a : V(r) = ρa2/30r3

pour b≤r≤a :  V(r)=(ρ/30)(((r2-a2)/2)+((ab3-rb3)/ar)+1)

et pour b>r: V(r) = ρ/40b

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 13-11-20 à 11:45

Tes expressions de E sont fausses. Commence par les rectifier avant de passer à l'étude du potentiel.

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 14-11-20 à 14:40

J'ai trouvé pour r<b  : Er=0
b≤r≤a : Er = ρ(r3-b3)/30r2
r≥a : Er = ρ(a3-b3)/30r2

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 14-11-20 à 15:05

C'est bien cela !
Tu peux passer maintenant aux expressions du potentiel en tenant compte de la seconde partie de mon message du 12-11-20 à 17:36.

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 14-11-20 à 15:19

J'obtiens r<b  : V(r)= ρ/20(a2-b2)
b≤r≤a : V(r) = (ρ/30)(((3a2-r2)/2)-b3/r)
r≥a : Er = ρ(a3-b3)/30r

Posté par
vanoise
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 14-11-20 à 16:15

Je pense que tu as les bons résultats malgré quelques maladresses dans l'écriture des équations (je sais : pas facile quand on n'est pas habitué !)

r\geq a\quad:\quad V=\dfrac{\rho\cdot\left(a^{3}-b^{3}\right)}{3.\varepsilon_{o}.r}
 \\ 
 \\ b\leq r<a\quad:\quad V=\dfrac{\rho}{3.\varepsilon_{o}}\cdot\left(\dfrac{3.a^{2}-r^{2}}{2}-\dfrac{b^{3}}{r}\right)
 \\ 
 \\ r<b\quad:\quad V=\dfrac{\rho\cdot\left(a^{2}-b^{2}\right)}{2.\varepsilon_{o}}

Posté par
gauthierthom
re : Sphère chargée avec cavité - Electromagnétisme 14-11-20 à 17:28

Merci beaucoup pour l'aide, je pense avoir bien compris les principes grâce à vous !



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