Exemple de solution à l'exercice proposé S02-12 : champ et énergie accumulée dans un condensateur plan

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Grâce à la symétrie plane (absence d'effet de bord), la solution de l'exercice S02-7 donne l'expression du champ . L'expression du champ électrique entre les deux conducteurs s'obtient en divisant cette expression (S02-75) par e . On obtient

(S02-102) entre les deux électrodes.

La tension u = Vg - Vd entre le conducteur de gauche et le conducteur de droite s'obtient en intégrant (S02-102) entre les deux électrodes, soit

(S02-103)

 

En introduisant dans (S02-102) l'expression de s extraite de (S02-103), on obtient

(S02-104)

Cette expression est identique à l'expression (S01-..) obtenue comme solution de l'exercice S01-13 , ce qui est normal puisque, ne dépendant pas de la valeur de e, elle doit être valable dans le cas particulier où e = eo , c'est-à-dire dans le cas du vide.

La formule (S02-103) montre aussi que la charge s est proportionnelle à la tension u ; la notion de capacité C par unité de surface du condensateur est donc bien définie et on peut déduire sa valeur de la formule (S02-103), soit

(S02-105)

A noter que, pour un condensateur de surface S (surface de la face interne d'une des éctrodes), la formule (S02-105) devient la formule classique du condensateur plan

(S02-105B) C = e S/d

L'énergie vaut alors

(S02-106)

Le même résultat peut s'obtenir en intégrant la densité d'énergie (S02-35), qui vaut dans notre cas, compte tenu de (S02-102),

(S02-107)

On obtient, en intégrant (S02-107) sur tout le volume de l'isolant,

(S02-108)

soit

(S02-109)

qui est bien identique après simplification à (S02-106).

Le champ (S02-91) obtenu comme solution de l'exercice S02-11 admet comme valeur limite (S02-104). Pour le montrer, on peut remplacer dans (S02-91) r3 par r2 + d . Lorsque r2 tend vers l'infini, on peut remplacer le logarithme par le premier terme de son développement en série, soit

(S02-110)

Par ailleurs, puisque r est compris entre r2 et r2 + d , le rapport r/r2 tend vers 1 lorsque r2 tend vers l'infini, ce qui achève la démonstration.

De la même façon, la capacité(S02-93) et l'énergie (S02-94) tendent vers les valeurs limites (S02-105) et (S02-106). Pour le montrer, il faut d'abord diviser les expressions (S02-93) et (S02-94) par 2 p r2 , afin d'obtenir une capacité et une énergie par unité de surface (du conducteur interne). La même technique de passage à la limite peut alors être utilisée.

 

Dernière mise à jour le 10-09-2001.