EM5.7. Mouvement d’une particule dans un volume
cylindrique chargé.
1. Equation différentielle vérifiée par le vecteur
position.
Pour déterminer le mouvement de cette particule il
faut dans un premier temps rechercher la force
qu’elle subit de la part de la distribution de
charge. On considère un point quelconque M
de l’espace. Les propriétés électriques de l’espace
en ce point M sont caractérisées par le
vecteur .
Le plan perpendiculaire à l’axe Oz et
contenant le point M considéré est un plan de
symétrie de la distribution de charge ainsi que le
plan contenant l’axe Oz et passant par ce
même M. Le vecteur appartient à ces deux plans et donc à leur
intersection, ce champ est donc radial :
La distribution de charge est de plus invariante par
translation suivant la direction Oz et
invariante par rotation autour de cet axe Oz,
le champ ne dépend donc pas des coordonnées et z. La distribution de charge crée un
champ :
Pour déterminer complètement le champ
électrostatique on applique le théorème de Gauss en
utilisant une surface cylindrique de rayon r
< R, de hauteur h, d’axe Oz et
fermée par deux bases perpendiculaires à cet axe
Oz.
Le mouvement de la particule est régi par la seconde
loi de Newton dans le référentiel du laboratoire
posé galiléen. On néglige l’action de la pesanteur
devant celle de la force électrique. Comme la force
électrique et le vecteur vitesse initiale n’ont pas
de composantes suivant l’axe Oz, le mouvement
de la particule est alors contenu dans un plan
perpendiculaire à cet axe Oz. On écrit le
vecteur position de la charge sous la forme : .
La relation de Newton s’écrit alors :
On exprime l’équation (1) sous la forme suivante :
Ce résultat est caractéristique d’un comportement
harmonique pour la particule q dans un plan
perpendiculaire à l’axe Oz lors de sa
présence dans la distribution de charge .
L’intégration de (1) conduit à :
Les conditions initiales portant sur le vecteur s’écrivent :
On obtient :
2. Etude des différents cas.
On introduit maintenant l’angle que fait le vecteur avec le vecteur . Suivant la valeur de cet angle on peut
distinguer les cas suivants :
a)
Dans la distribution de charge, le mouvement dans le
plan xOy est alors une portion d’ellipse dont
l’équation paramétrique est :
ü
On peut remarquer que si le terme le mouvement de la particule est alors un segment de
droite tel que la direction du vecteur tourne d’un angle .
ü
Dans le cas où le terme , la projection du mouvement de la particule est alors
un segment de droite porté par le vecteur . La direction du vecteur tourne dans ce cas d’un angle .
ü
Pour la direction du vecteur tourne alors d’un angle tel que , cet angle augmentant avec la valeur du terme .
On obtient les différentes trajectoires possibles
pour la particule suivant la valeur du terme :
Schémas réalisés en prenant
b)
La particule décrit alors dans le plan xOy le
segment . Elle perd alors sur le segment l’énergie cinétique acquise entre A et O.
Elle arrive alors en avec la même vitesse qu’elle avait en A.
c)
Pour cette valeur particulière de l’angle d’entrée
de la particule dans ce champ il est intéressant de
déterminer une condition pour que la particule
décrive un cercle de centre O et de rayon
R.
La particule est soumise à une force centrale. Pour
avoir un mouvement circulaire (qui sera alors
uniforme) la particule doit avoir seulement une
composante radiale pour l’accélération. La relation
de la dynamique s’écrit alors avec :