Condensateur sphérique 2/3

Partie

Question

Deux conducteurs sphériques concentriques \(A\) et \(B\) forment un condensateur.

Soit \(R_A\) le rayon extérieur de \(A\) et \(R_B\) le rayon intérieur de \(B\) .

a) Quel est le champ \(\vec E\) en un point \(M\) situé entre les armatures ?

b) Déterminer la différence de potentiel \(V(A) - V(B)\) entre les armatures.

c) Calculer le coefficient de capacité du condensateur.

Solution simple

a) \(E = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 r^2}\)

b) \(V(A) - V(B) = \frac{Q_A}{4 \pi \epsilon_0} \left( \begin{array}{lc} \frac{R_B - R_A}{R_B ~ R_A} \end{array} \right)\)

c) \(C = 4 \pi \epsilon_0 \left( \begin{array}{lc} \frac{R_B ~ R_A}{R_B - R_A} \end{array} \right)\)

Solution détaillée

a)

Par symétrie, le champ \(\vec E\) est radial. Traçons une sphère de Gauss \(Sg\) de rayon \(R\) passant par \(M\) .

Le flux de \(\vec E\) à travers \(Sg\) est : \(\Phi = \iint_{Sg} \vec E . \mathrm d \vec S = E ~ 4 \pi r^2\)

Si la sphère \(A\) porte la charge \(Q_A\) le Théorème de Gauss donne :

\(E ~ 4 \pi r^2 = \frac{Q}{\epsilon_0} ~~\) \(\Rightarrow ~~ E = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 r^2}\)

b)

\(\displaystyle{V(A) - V(B) = - \int_{R_B}^{R_A} \vec E . \mathrm d \vec M = - \int_{R_B}^{R_A} \vec E . \mathrm d r}\)

Pour un déplacement radial de \(M\), \(\vec E \parallel \mathrm d \vec r\) donc :

\(\displaystyle{V(A) - V(B) = - \int_{R_B}^{R_A} E ~ \mathrm d R}\)

\(V(A) - V(B) = \frac{Q_A}{4 \pi \epsilon_0} \left( \begin{array}{lc} \frac{R_B - R_A}{R_B ~ R_A} \end{array} \right)\)

c)

\(V(A) - V(B) = \frac{Q_A}{C} = \frac{Q_A}{4 \pi \epsilon_0} \left( \begin{array}{lc} \frac{R_B - R_A}{R_B ~ R_A} \end{array} \right)\)

\(C = 4 \pi \epsilon_0 \left( \begin{array}{lc} \frac{R_B ~ R_A}{R_B - R_A} \end{array} \right)\)

On note que l'on retrouve le coefficient de capacité d'un condensateur plan \(C = \frac{\epsilon_0 S}{e}\) si \((R_B - R_A) < R_A, R_B\)

\(R_1 R_2 \approx R^2\) avec \(e = R_B - R_A\) car \(S = 4 \pi R^2\) est la surface de la sphère.