Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Exercice : Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Contexte : L'étude de la conduction électriquePhénomène de déplacement de porteurs de charge électrique (électrons, ions) au sein d'un matériau, sous l'effet d'un champ électrique..

L'étude du passage du courant dans les conducteurs est fondamentale en électromagnétisme. Cet exercice se concentre sur l'application de la loi d'Ohm localeRelation vectorielle locale qui lie la densité de courant au champ électrique : \(\vec{J} = \sigma \vec{E}\). dans une géométrie cylindrique, typique d'un câble coaxial. Bien que les câbles soient conçus pour bien conduire le long de leur axe, l'isolant entre les conducteurs n'est jamais parfait. Nous allons donc modéliser et calculer le faible courant de fuite qui s'établit radialement entre l'âme centrale et le blindage externe du câble.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de passer de la forme locale des lois (valables en tout point de l'espace) à des grandeurs macroscopiques et mesurables (courant, résistance) par une étape d'intégration. C'est une compétence essentielle en physique et en sciences de l'ingénieur.


Objectifs Pédagogiques

  • Appliquer la loi d'Ohm locale \(\vec{J} = \sigma \vec{E}\) dans un cas concret.
  • Utiliser les symétries pour simplifier un problème d'électromagnétisme.
  • Calculer un champ électrique, une densité de courant, un courant et une résistance en coordonnées cylindriques.
  • Relier les grandeurs locales (champs) aux grandeurs globales (courant, tension, résistance).

Données de l'étude

On considère une portion de câble coaxial de longueur \(L\). L'âme centrale, un cylindre conducteur de rayon \(a\), et le blindage externe, un cylindre conducteur creux de rayon intérieur \(b\), sont séparés par un matériau faiblement conducteur (un isolant imparfait) de conductivitéCapacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique. C'est l'inverse de la résistivité. électrique \(\sigma\). On applique une différence de potentielAussi appelée tension, c'est le travail fourni par le champ électrique pour déplacer une charge unité entre deux points. Notée U ou V, en Volts (V). constante \(V_0\) entre l'âme et le blindage.

Fiche Technique
Caractéristique Valeur
Géométrie du conducteur Cylindrique (câble coaxial)
Régime d'étude Stationnaire (courant continu)
Loi physique centrale Loi d'Ohm locale \(\vec{J} = \sigma\vec{E}\)
Coupe transversale du câble coaxial
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Rayon de l'âme interne \(a\) 1 mm
Rayon du blindage externe \(b\) 3 mm
Longueur du câble \(L\) 10 m
Conductivité de l'isolant \(\sigma\) \(10^{-5}\) S/m
Tension appliquée \(V_0\) 12 V

Questions à traiter

  1. Compte tenu des symétries de la géométrie, quelle est la direction et la dépendance du champ électrique \(\vec{E}\) et de la densité de courant \(\vec{J}\) ?
  2. Déterminer l'expression du champ électrique \(E(r)\) pour \(a < r < b\) en fonction de \(V_0, a, b\) et \(r\).
  3. Calculer le courant de fuite total \(I\) qui s'écoule de l'âme vers le blindage à travers le matériau conducteur.
  4. En déduire l'expression littérale de la résistanceGrandeur physique qui caractérise l'opposition d'un matériau au passage du courant électrique. Notée R, en Ohms (\(\Omega\)). \(R\) de cette portion de câble, puis calculer sa valeur numérique.
  5. Calculer la puissance \(P\) dissipée par effet JouleDégagement de chaleur provoqué par le passage d'un courant électrique dans un matériau conducteur. dans l'isolant.

Les bases sur la Conduction Électrique

Pour résoudre cet exercice, nous aurons besoin de quelques outils fondamentaux de l'électromagnétisme en régime stationnaire.

1. Loi d'Ohm Locale
Cette loi relie en tout point du milieu conducteur la densité de courant \(\vec{J}\) (le courant par unité de surface) au champ électrique \(\vec{E}\) qui crée ce courant. Le facteur de proportionnalité est la conductivité \(\sigma\) du matériau. \[ \vec{J} = \sigma \vec{E} \]

2. Relation Champ Électrique - Potentiel
En régime stationnaire, le champ électrique dérive d'un potentiel scalaire \(V\). La relation en coordonnées cylindriques, si le champ est purement radial (\(E_r\)), s'simplifie. \[ \vec{E} = -\vec{\nabla}V \Rightarrow E_r(r) = -\frac{dV}{dr} \]

3. Calcul du Courant par Intégration
Le courant total \(I\) traversant une surface \(S\) est le flux du vecteur densité de courant \(\vec{J}\) à travers cette surface. \[ I = \iint_S \vec{J} \cdot d\vec{S} \]


Correction : Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Question 1 : Direction du champ \(\vec{E}\) et de la densité \(\vec{J}\)

Principe

Le concept physique clé ici est l'utilisation des symétries du problème pour simplifier radicalement la forme des champs. Avant tout calcul, l'analyse des invariances (ce qui ne change pas quand on déplace ou tourne le système) nous donne la direction et les dépendances des vecteurs.

Mini-Cours

En physique, le principe de Curie stipule que les symétries des causes se retrouvent dans les effets. Ici, les causes sont la géométrie cylindrique et la tension appliquée uniformément. L'effet, qui est le champ électrique, doit donc avoir les mêmes symétries : il ne peut pas dépendre de la position le long du câble (invariance par translation) ni de l'angle autour de l'axe (invariance par rotation).

Remarque Pédagogique

C'est un réflexe fondamental en électromagnétisme : toujours commencer par l'étude des symétries et des invariances. Cela permet souvent de réduire un problème à trois dimensions à un problème beaucoup plus simple à une seule dimension, ici radiale.

Formule(s)

Expression du champ électrique

\[ \vec{E} = E(r) \vec{u_r} \]

Expression de la densité de courant

\[ \vec{J} = J(r) \vec{u_r} \]
Hypothèses

On se base sur les hypothèses de l'énoncé :

  • Le câble est considéré comme infiniment long (invariance par translation le long de l'axe \(z\)).
  • Le système possède une symétrie de révolution (invariance par rotation autour de l'axe \(z\)).
  • Les conducteurs à \(r=a\) et \(r=b\) sont des équipotentiels parfaits.
Donnée(s)
PropriétéDescription
SymétrieRévolution autour de l'axe Z
InvarianceTranslation le long de l'axe Z
Schéma : Lignes de Champ Radiales
Réflexions

Le champ électrique doit être perpendiculaire aux surfaces conductrices (qui sont des équipotentielles). Comme les conducteurs sont des cylindres centrés sur l'axe z, les lignes de champ qui leur sont perpendiculaires sont nécessairement les rayons. Ceci confirme notre raisonnement.

Points de vigilance

Attention à ne pas confondre le champ radial (perpendiculaire à l'axe) avec un champ axial (parallèle à l'axe). Dans un câble utilisé normalement, le courant circule le long de l'axe. Ici, on étudie le défaut d'isolement, donc le courant de fuite qui va de l'âme au blindage.

Points à retenir

La première étape de tout problème d'électromagnétisme est l'analyse des symétries et des invariances pour simplifier la forme des champs. C'est 50% du travail !

Le saviez-vous ?

Le principe de Curie, qui lie la symétrie des causes à celle des effets, a été énoncé par Pierre Curie en 1894. Il est l'un des outils conceptuels les plus puissants de la physique, utilisé de la cristallographie à la physique des particules.

Résultat Final
Les champs ne dépendent que de la coordonnée radiale \(r\). Ils sont dirigés suivant le vecteur radial \(\vec{u_r}\). On a donc : \(\vec{E}(r) = E(r)\vec{u_r}\) et \(\vec{J}(r) = J(r)\vec{u_r}\).

Question 2 : Calcul du champ électrique \(E(r)\)

Principe

Le concept est de relier le champ électrique \(E(r)\) à la différence de potentiel \(V_0\) qui le crée. Puisque \(E = -dV/dr\), on peut trouver la tension en "sommant" (intégrant) le champ électrique entre les deux conducteurs.

Mini-Cours

En l'absence de charges volumiques entre les conducteurs, l'équation de Maxwell-Gauss (\(\text{div}(\vec{E}) = \rho/\epsilon_0\)) devient \(\text{div}(\vec{E}) = 0\). En coordonnées cylindriques, pour un champ radial \(\vec{E} = E(r)\vec{u_r}\), cela donne \(\frac{1}{r}\frac{d(rE(r))}{dr} = 0\). Ceci implique que \(rE(r)\) est une constante, d'où \(E(r) = A/r\). C'est la forme générale du champ électrique entre deux cylindres.

Remarque Pédagogique

L'astuce consiste à utiliser la forme générale du champ (\(A/r\)), puis à utiliser la condition connue (la tension \(V_0\)) pour trouver la constante inconnue \(A\). C'est une démarche très classique : forme générale + conditions aux limites = solution unique.

Formule(s)

Forme générale du champ

\[ E(r) = \frac{A}{r} \]

Relation tension-champ

\[ V_0 = \int_a^b E(r) dr \]
Hypothèses

On suppose que l'espace entre \(a\) et \(b\) est un milieu homogène et qu'il ne contient pas de charges libres (autre que celles qui forment le courant).

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension appliquée\(V_0\)12V
Rayon interne\(a\)1mm
Rayon externe\(b\)3mm
Astuces

N'oubliez jamais la primitive de \(1/r\), qui est \(\ln(r)\). Une erreur fréquente est de l'intégrer comme une puissance. De plus, souvenez-vous des propriétés du logarithme : \(\ln(b) - \ln(a) = \ln(b/a)\).

Schéma (Avant les calculs)
Chemin d'intégration pour la tension
Intégrationab
Calcul(s)

On intègre l'expression du champ pour trouver la tension. Le chemin d'intégration est un rayon allant de \(a\) à \(b\).

Calcul de la tension en fonction de la constante A

\[ \begin{aligned} V_0 &= V(a) - V(b) \\ &= \int_a^b E(r) dr \\ &= \int_a^b \frac{A}{r} dr \\ &= A [\ln(r)]_a^b \\ &= A \ln\left(\frac{b}{a}\right) \end{aligned} \]

On isole la constante \(A\) de l'équation précédente.

Détermination de la constante A

\[ A = \frac{V_0}{\ln(b/a)} \]

Enfin, on réinjecte l'expression de la constante \(A\) dans la forme générale du champ \(E(r) = A/r\) pour obtenir la solution finale.

Expression finale du champ électrique

\[ E(r) = \frac{V_0}{r \ln(b/a)} \]
Schéma (Après les calculs)
Allure du champ E(r)
Réflexions

Le champ électrique n'est pas uniforme : il est maximal sur la surface du conducteur interne (\(r=a\)) et minimal sur le conducteur externe (\(r=b\)). C'est logique : les lignes de champ "s'écartent" à mesure qu'elles s'éloignent de l'axe, donc leur densité diminue.

Points de vigilance

Le principal piège est le sens de l'intégration et les bornes du logarithme. Assurez-vous que la tension \(V_0\) est positive, ce qui impose \(V(a)>V(b)\) et donc que le champ est dirigé de \(a\) vers \(b\). L'intégrale de \(E(r)dr\) doit donner un résultat positif. \(\ln(b/a)\) est positif car \(b>a\).

Points à retenir

La forme du champ électrique en \(1/r\) est une caractéristique fondamentale de toutes les sources à symétrie cylindrique (fil infini, câble coaxial...).

Le saviez-vous ?

Cette décroissance en \(1/r\) du champ est la raison pour laquelle les câbles à haute tension ont un rayon de courbure minimal. Si le rayon devient trop petit, le champ à la surface peut devenir si intense qu'il ionise l'air environnant (effet Corona), créant des pertes d'énergie.

FAQ
Résultat Final
Le module du champ électrique pour \(a
A vous de jouer

Avec les données de l'énoncé (\(V_0=12\,\text{V}, a=1\,\text{mm}, b=3\,\text{mm}\)), calculez la valeur numérique du champ électrique à la surface de l'âme interne (\(r=a\)).

Question 3 : Calcul du courant de fuite total \(I\)

Principe

Le concept est de "collecter" tout le courant qui traverse l'isolant. Pour cela, on calcule le flux du vecteur densité de courant \(\vec{J}\) à travers une surface qui intercepte tout ce courant, typiquement un cylindre de longueur \(L\) et de rayon \(r\) quelconque entre \(a\) et \(b\).

Mini-Cours

La densité de courant \(\vec{J}\) représente le "débit" de charges par unité de surface. Pour obtenir le débit total (le courant \(I\)), il faut sommer ce débit sur toute la surface de passage, d'où l'intégrale de surface \(I = \iint_S \vec{J} \cdot d\vec{S}\). En régime stationnaire, la loi de conservation de la charge impose \(\text{div}(\vec{J})=0\), ce qui signifie que le courant total traversant n'importe quelle surface fermée est nul, et donc que le courant \(I\) est le même quelle que soit la surface cylindrique choisie entre \(a\) et \(b\).

Remarque Pédagogique

Le choix de la surface d'intégration est crucial. Il faut choisir une surface simple où le calcul du flux est facile. Ici, un cylindre est le choix parfait car \(\vec{J}\) est partout perpendiculaire à cette surface et son module est constant sur celle-ci (à \(r\) fixé).

Normes

La définition du courant comme flux de la densité de courant est une loi fondamentale de la physique, pas une norme industrielle.

Formule(s)

Loi d'Ohm locale

\[ \vec{J}(r) = \sigma \vec{E}(r) \]

Définition du courant

\[ I = \iint_{S_{\text{cyl}}} \vec{J} \cdot d\vec{S} \]

Élément de surface

\[ d\vec{S} = r d\theta dz \vec{u_r} \]
Hypothèses

On suppose que la conductivité \(\sigma\) est uniforme dans tout le matériau isolant.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Expression de E(r)\(E(r)\)\(\frac{V_0}{r \ln(b/a)}\)V/m
Conductivité\(\sigma\)\(10^{-5}\)S/m
Longueur\(L\)10m
Astuces

Le calcul du flux est très simple ici. Comme \(\vec{J}\) et \(d\vec{S}\) sont tous les deux radiaux, le produit scalaire \(\vec{J} \cdot d\vec{S}\) devient simplement \(J(r) dS\). Comme \(J(r)\) est constant sur la surface (il ne dépend pas de \(\theta\) ou \(z\)), l'intégrale se résume à \(I = J(r) \times (\text{Aire de la surface})\).

Schéma (Avant les calculs)
Surface d'intégration du courant
JSurface de flux S
Calcul(s)

Premièrement, on trouve l'expression de la densité de courant \(\vec{J}\) en appliquant la loi d'Ohm locale à l'expression du champ électrique \(\vec{E}\) trouvée précédemment.

Expression de la densité de courant J(r)

\[ J(r) = \sigma E(r) = \frac{\sigma V_0}{r \ln(b/a)} \]

Deuxièmement, on calcule le courant total \(I\) qui traverse l'isolant. Comme expliqué dans les astuces, cela revient à multiplier la densité de courant \(J(r)\) par l'aire de la surface latérale d'un cylindre de rayon \(r\) et de longueur \(L\). L'aire de cette surface est \(A_{\text{latérale}} = 2\pi r L\).

Calcul du courant total I

\[ \begin{aligned} I &= J(r) \times A_{\text{latérale}} \\ &= \left( \frac{\sigma V_0}{r \ln(b/a)} \right) \times (2\pi r L) \\ &= \frac{2\pi L \sigma V_0}{\ln(b/a)} \end{aligned} \]

On remarque que le terme en \(r\) se simplifie. Le courant total est donc bien indépendant du rayon \(r\) de la surface cylindrique choisie pour le calcul, ce qui confirme la conservation de la charge en régime stationnaire (le courant est le même partout).

Schéma (Après les calculs)
Lignes de Courant de Fuite
I
Réflexions

Le résultat est très logique : le courant de fuite est proportionnel à la longueur du câble \(L\) (plus de surface de fuite), à la conductivité \(\sigma\) (un meilleur isolant la diminue) et à la tension \(V_0\) (la "force" qui pousse les charges). Il diminue quand l'isolant est plus épais (le terme \(\ln(b/a)\) augmente).

Points de vigilance

L'erreur classique est de mal poser l'intégrale de surface. Il faut bien comprendre que l'élément de surface en coordonnées cylindriques pour une surface latérale est \(dS = r d\theta dz\), et non simplement \(dr dz\) ou autre.

Points à retenir

Le courant est le flux de la densité de courant. Pour un problème à symétrie simple, ce calcul se ramène souvent à \(I = J \times \text{Aire}\). Le fait que \(I\) soit indépendant de \(r\) est une manifestation de la conservation de la charge.

Le saviez-vous ?

Dans les câbles sous-marins de télécommunication, qui font des milliers de kilomètres de long, la gestion de ces très faibles courants de fuite est cruciale. L'isolant utilisé (souvent du polyéthylène) doit avoir une conductivité extrêmement faible (donc une résistivité très élevée) pour minimiser les pertes sur de si grandes distances.

FAQ
Résultat Final
Le courant de fuite total est constant et vaut : \[ I = \frac{2\pi L \sigma V_0}{\ln(b/a)} \]
A vous de jouer

Avec les données de l'énoncé, calculez la valeur numérique du courant de fuite total \(I\).

Question 4 : Calcul de la résistance \(R\)

Principe

Le concept est d'appliquer la loi d'Ohm macroscopique, \(R = V/I\), qui définit la résistance d'un dipôle. On a une tension \(V_0\) appliquée et on a calculé le courant \(I\) qui en résulte. Le rapport des deux nous donne la résistance de l'isolant du câble.

Mini-Cours

La résistance n'est pas une propriété intrinsèque de la matière (ça, c'est la résistivité \(\rho=1/\sigma\)), mais une propriété d'un objet, qui dépend de sa géométrie et du matériau qui le compose. La formule usuelle \(R = \rho \frac{L}{S}\) est un cas particulier pour un fil où le courant circule sur la longueur \(L\) à travers une section \(S\). Notre calcul ici généralise cette idée à une géométrie radiale.

Remarque Pédagogique

Cette question est le point culminant de l'exercice : elle connecte l'approche "champ" de l'électromagnétisme (locale) avec l'approche "circuit" de l'électrocinétique (globale). Vous avez calculé une résistance sans jamais écrire \(U=RI\) au départ, mais en l'obtenant comme un résultat.

Normes

Les normes sur les câbles (par ex. les normes CEI) spécifient des valeurs minimales pour la résistance d'isolement (souvent donnée en M\(\Omega\)\(\cdot\)\(\text{km}\)), ce qui correspond exactement à la grandeur que nous calculons, afin de garantir la sécurité et de limiter les pertes.

Formule(s)

Définition de la résistance

\[ R = \frac{V_0}{I} \]
Hypothèses

Cette définition est valable tant que le milieu est ohmique, c'est-à-dire que la relation entre \(J\) et \(E\) est linéaire (ce qui est le cas ici, \(\sigma\) est une constante).

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Rayon interne\(a\)\(1 \cdot 10^{-3}\)m
Rayon externe\(b\)\(3 \cdot 10^{-3}\)m
Longueur\(L\)10m
Conductivité\(\sigma\)\(10^{-5}\)S/m
Astuces

En manipulant l'expression, remarquez que \(R \propto 1/L\). Cela peut paraître contre-intuitif, mais c'est correct ! Pour le courant de fuite radial, doubler la longueur du câble, c'est comme mettre deux résistances identiques en parallèle : la résistance équivalente est divisée par deux.

Schéma (Avant les calculs)
Modèle électrique équivalent
V₀R
Calcul(s)

Expression littérale de la résistance

\[ \begin{aligned} R &= \frac{V_0}{I} \\ &= V_0 \left( \frac{\ln(b/a)}{2\pi L \sigma V_0} \right) \\ &= \frac{\ln(b/a)}{2\pi L \sigma} \end{aligned} \]

Application numérique

\[ \begin{aligned} R &= \frac{\ln(3 \cdot 10^{-3} / 1 \cdot 10^{-3})}{2\pi \cdot (10\,\text{m}) \cdot (10^{-5}\,\text{S/m})} \\ &= \frac{\ln(3)}{2\pi \cdot 10^{-4}\,\text{S}} \\ &\approx \frac{1.0986}{6.283 \cdot 10^{-4}\,\text{S}} \\ &\approx 1748.5 \, \Omega \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Modèle électrique équivalent
12 VR ≈ 1.75 kΩ
Réflexions

Une résistance de \(1.75 \, \text{k}\Omega\) pour 10m de câble peut paraître faible. Cela montre que cet "isolant" est en réalité un très mauvais isolant ! Un bon isolant pour câble aurait une conductivité beaucoup plus faible (de l'ordre de \(10^{-12}\) à \(10^{-15} \, \text{S/m}\)), menant à des résistances de plusieurs Giga-ohms.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est d'oublier de convertir les rayons \(a\) et \(b\) de millimètres en mètres. Cependant, comme ils apparaissent dans un rapport \(b/a\), l'erreur s'annule pour le terme \(\ln(b/a)\) ! Mais c'est une mauvaise habitude. Il faut toujours travailler avec des unités cohérentes (le système international SI est le plus sûr).

Points à retenir

La résistance d'une structure dépend crucialement de la géométrie et de la direction du courant. Pour un même objet, la résistance axiale et la résistance radiale sont complètement différentes. Ici, \(R \propto \ln(b/a)\) et \(R \propto 1/L\).

Le saviez-vous ?

La mesure de la résistance d'isolement est un test de sécurité standard et obligatoire pour toute installation électrique. On utilise un appareil appelé mégohmmètre, qui applique une haute tension (typiquement 500V ou 1000V) et mesure le très faible courant de fuite pour en déduire la résistance.

FAQ
Résultat Final
La résistance de la portion de câble est \(R = \frac{\ln(b/a)}{2\pi L \sigma} \approx 1.75 \, \text{k}\Omega\).
A vous de jouer

Que deviendrait la résistance si on doublait la longueur \(L\) du câble à 20 mètres ?

Question 5 : Calcul de la puissance dissipée \(P\)

Principe

Le passage d'un courant dans un matériau résistant provoque un échauffement : c'est l'effet Joule. La puissance correspondante est l'énergie thermique dissipée par seconde. Elle représente une perte d'énergie pour le circuit électrique.

Mini-Cours

La puissance peut être vue localement ou globalement. Localement, la puissance volumique dissipée est \(p = \vec{J} \cdot \vec{E} = \sigma E^2\). Pour obtenir la puissance totale, il faudrait intégrer cette quantité sur tout le volume de l'isolant. Globalement, pour un dipôle de résistance \(R\), cette intégrale est équivalente aux formules bien connues \(P=UI=RI^2=U^2/R\).

Remarque Pédagogique

Le choix de la formule à utiliser dépend des données dont vous êtes le plus sûr. Comme \(V_0\) est une donnée de l'énoncé et que \(R\) a été calculé, la formule \(P=V_0^2/R\) est souvent la plus directe et limite la propagation d'éventuelles erreurs de calcul sur \(I\).

Normes

La gestion de la puissance dissipée est cruciale en ingénierie. Les normes définissent les courants maximaux admissibles dans les câbles non pas pour limiter les pertes, mais pour éviter que l'échauffement par effet Joule ne fasse fondre l'isolant, ce qui créerait un risque de court-circuit et d'incendie.

Formule(s)

Puissance (Formule 1)

\[ P = V_0 I \]

Puissance (Formule 2)

\[ P = R I^2 \]

Puissance (Formule 3)

\[ P = \frac{V_0^2}{R} \]
Hypothèses

On suppose que toute la puissance électrique "perdue" dans la résistance est convertie en chaleur, sans autre forme de perte d'énergie.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension\(V_0\)12V
Résistance\(R\)1748.5\(\Omega\)
Courant\(I\)6.86mA
Astuces

Faire le calcul avec au moins deux des trois formules est une excellente façon de vérifier la cohérence de l'ensemble de vos résultats pour \(I\) et \(R\). Si vous obtenez le même résultat pour \(P\), vous pouvez être quasi-certain que vos calculs sont justes.

Schéma (Avant les calculs)
Dissipation par Effet Joule
RChaleur (P)
Calcul(s)

Calcul avec la formule \(P = V_0^2/R\)

\[ \begin{aligned} P &= \frac{(12 \, \text{V})^2}{1748.5 \, \Omega} \\ &= \frac{144 \, \text{V}^2}{1748.5 \, \Omega} \\ &\approx 0.08235 \, \text{W} \end{aligned} \]

Vérification avec la formule \(P = V_0 I\)

\[ \begin{aligned} P &= V_0 I \\ &= (12 \, \text{V}) \times (6.86 \cdot 10^{-3} \, \text{A}) \\ &\approx 0.08232 \, \text{W} \end{aligned} \]

Les résultats sont cohérents aux arrondis près.

Schéma (Après les calculs)
Dissipation par Effet Joule
RP ≈ 82.3 mW
Réflexions

La puissance de \(82 \, \text{mW}\) est très faible. Elle correspond à la chaleur dégagée par l'isolant. Dans ce cas, l'échauffement serait totalement négligeable. Cependant, pour le courant principal circulant dans l'âme du câble (qui peut être de plusieurs ampères), l'effet Joule peut être significatif et doit être pris en compte pour le dimensionnement.

Points de vigilance

Soyez attentif aux unités. Si le courant est en milliampères (mA) et la résistance en kilo-ohms (k\(\Omega\)), la puissance sera en milliwatts (mW). Il est plus sûr de tout convertir en unités SI de base (V, A, \(\Omega\)) pour obtenir un résultat en Watts (W).

Points à retenir

L'effet Joule est une conséquence inévitable du passage du courant dans un milieu résistant. Il représente une perte d'énergie qui se manifeste sous forme de chaleur. Les formules \(P=UI=RI^2=U^2/R\) sont fondamentales en électricité.

Le saviez-vous ?

L'effet Joule, bien que souvent vu comme une perte, a de nombreuses applications utiles : chauffage électrique, grille-pain, ampoules à incandescence (aujourd'hui obsolètes), fusibles (qui fondent quand le courant est trop élevé), etc.

FAQ
Résultat Final
La puissance dissipée par effet Joule dans l'isolant est \(P \approx 82.3 \, \text{mW}\).
A vous de jouer

Si on double la tension \(V_0\) à 24V, par quel facteur la puissance dissipée sera-t-elle multipliée ? Calculez sa nouvelle valeur.


Outil Interactif : Simulateur de Câble Coaxial

Utilisez les curseurs pour faire varier la tension appliquée \(V_0\) et la longueur du câble \(L\). Observez en temps réel l'impact sur le courant de fuite total, la résistance et la puissance dissipée. Le graphique montre la relation linéaire entre le courant et la tension (loi d'Ohm).

Paramètres d'Entrée
12 V
10 m
Résultats Clés
Résistance \(R\) (k\(\Omega\)) -
Courant \(I\) (mA) -
Puissance \(P\) (mW) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. La forme locale de la loi d'Ohm s'écrit :

2. Pour un courant de fuite radial dans un câble coaxial, comment la résistance \(R\) varie-t-elle avec la longueur \(L\) du câble ?

3. L'unité de la conductivité électrique \(\sigma\) est le :

4. Si l'on double la tension \(V_0\) aux bornes d'une résistance, la puissance dissipée par effet Joule est :

5. Pour un champ électrique radial \(E(r) \propto 1/r\), le courant total \(I\) traversant une surface cylindrique de longueur L :


Conductivité (\(\sigma\))
Grandeur physique caractérisant la capacité d'un matériau à conduire le courant électrique. C'est l'inverse de la résistivité \(\rho\). Unité : Siemens par mètre (S/m).
Densité de courant (\(\vec{J}\))
Vecteur représentant le débit de charge électrique par unité de surface. Il est orienté dans la direction du mouvement des charges. Unité : Ampère par mètre carré (A/m²).
Loi d'Ohm locale
Relation fondamentale qui stipule qu'en un point d'un conducteur, la densité de courant est proportionnelle au champ électrique : \(\vec{J} = \sigma \vec{E}\).
Résistance (\(R\))
Propriété d'un composant électrique à s'opposer au passage du courant. Elle est définie comme le rapport de la tension à ses bornes sur le courant qui le traverse : \(R=U/I\). Unité : Ohm (\(\Omega\)).
Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

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Fréquences de Résonance d’une Cavité

Fréquences de Résonance d’une Cavité Électromagnétique Fréquences de Résonance d’une Cavité Électromagnétique Contexte : L'étude de la cavité résonnanteUne structure métallique creuse qui confine les ondes électromagnétiques, permettant la formation d'ondes...

Orientation Satellite via Dipôle Magnétique
Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

Exercice : Orientation Satellite via Dipôle Magnétique Contrôle d'Orientation d'un Satellite par Dipôle Magnétique Contexte : Le contrôle d'attitude des satellites via le magnétismeUtilisation des champs magnétiques pour contrôler l'orientation (attitude) d'un objet...

L’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse
L’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse

Calcul de l’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse Calcul de l’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse Contexte : La réfractionChangement de direction que subit une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre où sa vitesse de propagation est différente. est un...

Propagation d’une onde électromagnétique plane
Propagation d’une onde électromagnétique plane

Exercice : Propagation d'une Onde Électromagnétique Plane Propagation d'une Onde Électromagnétique Plane dans le Vide Contexte : L'onde électromagnétique planeUne onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, et où les champs E et B sont uniformes sur ces plans....

Force Magnétique sur une Particule Chargée
Force Magnétique sur une Particule Chargée

Exercice : Force Magnétique sur une Particule Chargée Force Magnétique sur une Particule Chargée Contexte : La Force de LorentzForce exercée sur une particule chargée se déplaçant dans un champ électromagnétique. Elle combine une composante électrique et une...

Calcul de la vitesse de groupe d’une onde
Calcul de la vitesse de groupe d’une onde

Calcul de la Vitesse de Groupe d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Groupe d'une Onde Électromagnétique Contexte : La vitesse de groupeVitesse de propagation de l'enveloppe d'un paquet d'ondes, qui correspond à la vitesse de l'énergie ou de...

Force Électrostatique entre Deux Charges
Force Électrostatique entre Deux Charges

Exercice : Force Électrostatique entre Deux Charges Calcul de la Force Électrostatique entre Deux Charges Contexte : L'Interaction Fondamentale de l'Électromagnétisme. Au cœur de l'électromagnétisme se trouve une loi fondamentale qui décrit comment les objets chargés...

Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure
Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure

Exercice : Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure dans un Guide d'Ondes Contexte : La propagation des ondes électromagnétiques en milieu guidé. Contrairement aux ondes se propageant dans l'espace libre (comme les ondes...

Force sur une Charge dans un Champ Électrique
Force sur une Charge dans un Champ Électrique

Exercice : Force sur une Charge dans un Champ Électrique Force sur une Charge dans un Champ Électrique Contexte : L'interaction entre les charges et les champs. En électromagnétisme, un champ électriqueRégion de l'espace où une charge électrique subirait une force. Il...

Champ Électrique dans un Condensateur
Champ Électrique dans un Condensateur

Exercice : Champ Électrique dans un Condensateur Plan Champ Électrique dans un Condensateur Plan Contexte : Le condensateur planUn composant électronique formé de deux plaques conductrices (armatures) en regard, séparées par un isolant (diélectrique), capable de...

Calcul de l’amplitude de l’onde réfléchie
Calcul de l’amplitude de l’onde réfléchie

Exercice : Amplitude de l'Onde Réfléchie Calcul de l’Amplitude d’une Onde Électromagnétique Réfléchie Contexte : La réflexion d'une onde électromagnétiquePhénomène qui se produit lorsqu'une onde frappe l'interface entre deux milieux et rebondit dans son milieu...

Champ Magnétique en Milieu Industriel
Champ Magnétique en Milieu Industriel

Exercice : Champ Magnétique d'un Câble Coaxial Industriel Étude du Champ Magnétique en Milieu Industriel Contexte : Le câble coaxialUn type de câble composé d'un conducteur central (âme) entouré d'un isolant, d'un blindage conducteur (gaine) et d'une gaine extérieure....

Analyse de la Polarisation Lumineuse
Analyse de la Polarisation Lumineuse

Exercice : Analyse de la Polarisation Lumineuse Analyse de la Polarisation Lumineuse d'une Onde Électromagnétique Contexte : L'onde électromagnétique planeUne onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, perpendiculaires à la direction de propagation. C'est une...

Calcul de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde
Calcul de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde

Exercice : Énergie dans un Solénoïde Calcul de l’Énergie Magnétique Stockée dans un Solénoïde Contexte : L'Inductance et le Stockage d'Énergie. Les solénoïdes sont des composants électromagnétiques fondamentaux, constitués d'un fil conducteur enroulé en hélice....

Propagation des Ondes Sphériques
Propagation des Ondes Sphériques

Exercice : Propagation des Ondes Sphériques Propagation des Ondes Sphériques Électromagnétiques Contexte : L'étude des ondes électromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui oscillent à la...

Champ Magnétique Variable sur une Plaque
Champ Magnétique Variable sur une Plaque

Exercice : Courants de Foucault dans une Plaque Champ Magnétique Variable sur une Plaque Contexte : L'induction électromagnétique. Cet exercice porte sur un phénomène fondamental en électromagnétisme : l'induction. Lorsqu'une plaque conductrice est soumise à un champ...

Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée
Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée

Exercice : Inductance et Énergie d'un Solénoïde Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde Contexte : Le solénoïdeUn enroulement de fil conducteur en forme d'hélice, conçu pour créer un champ magnétique uniforme dans son intérieur lorsqu'il est...

Calcul de la constante k de Coulomb
Calcul de la constante k de Coulomb

Exercice : Calcul de la Constante de Coulomb (k) Calcul de la Constante de Coulomb (k) Contexte : L'étude de la Force ÉlectrostatiqueLa force d'attraction ou de répulsion qui s'exerce entre deux particules chargées électriquement.. La loi de Coulomb est un principe...

Interactions Magnétiques avec le Césium-137
Interactions Magnétiques avec le Césium-137

Calcul d'Interaction Magnétique : Le Césium-137 Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Contexte : Le Moment Magnétique NucléairePropriété d'un noyau atomique qui le fait se comporter comme un petit aimant, due au spin des protons et des neutrons qui le...

Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde
Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde

Exercice : Vitesse de Phase d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde Électromagnétique Contexte : Les Ondes ÉlectromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui...

Puissance Transportée par un Câble Coaxial
Puissance Transportée par un Câble Coaxial

Exercice : Puissance Transportée par un Câble Coaxial Puissance Transportée par un Câble Coaxial Contexte : Le Câble CoaxialUn type de câble électrique utilisé pour transmettre des signaux à haute fréquence. Il se compose d'un conducteur central, d'un isolant, d'un...

Calcul de la Densité Surfacique de Courant
Calcul de la Densité Surfacique de Courant

Calcul de la Densité Surfacique de Courant Calcul de la Densité Surfacique de Courant Contexte : Le concept de nappe de courantIdéalisation d'un courant électrique circulant dans une surface infiniment mince. C'est un modèle clé pour analyser les champs magnétiques à...

Calcul du vecteur de Poynting
Calcul du vecteur de Poynting

Exercice : Vecteur de Poynting Calcul du Vecteur de Poynting Contexte : Le vecteur de PoyntingLe vecteur de Poynting représente la densité de flux d'énergie (la puissance par unité de surface) d'un champ électromagnétique.. Quand on pense à l'énergie électrique, on...

Calcul de la densité moyenne d’énergie
Calcul de la densité moyenne d’énergie

Exercice : Densité d'Énergie Électromagnétique Calcul de la Densité Moyenne d'Énergie Contexte : L'onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l'espace et transportent de l'énergie. La lumière est un...

Densité Énergétique en Électromagnétisme
Densité Énergétique en Électromagnétisme

Exercice : Densité Énergétique en Électromagnétisme Densité Énergétique dans un Condensateur Plan Contexte : L'énergie stockée par les champs électromagnétiquesLes champs électrique et magnétique sont des régions de l'espace où des forces s'exercent sur les charges...

Temps de Décharge d’un Condensateur
Temps de Décharge d’un Condensateur

Exercice : Temps de Décharge d’un Condensateur Temps de Décharge d'un Condensateur dans un Circuit RC Contexte : Le Circuit RCUn circuit électrique composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Il est fondamental pour créer des filtres, des minuteries ou des...

Potentiel Vecteur d’un Courant Continu
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Exercice : Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Calcul du Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Contexte : Le Potentiel VecteurEn magnétostatique, le potentiel vecteur \(\vec{A}\) est un champ de vecteurs dont le rotationnel donne le champ magnétique \(\vec{B}\).....

Rayonnement d’un Dipôle Oscillant
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Exercice : Rayonnement d’un Dipôle Oscillant Rayonnement d’un Dipôle Oscillant Contexte : Le dipôle oscillantSource électromagnétique la plus simple, modélisée par un segment de courant électrique de longueur infinitésimale. C'est le bloc de construction des...

Force électromotrice induite dans un circuit
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Force Électromotrice Induite dans un Circuit Force Électromotrice Induite dans un Circuit Contexte : L'Induction Électromagnétique. L'un des principes fondamentaux de l'électromagnétisme est l'induction : un champ magnétique variable peut créer un courant électrique...

Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur
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Exercice : Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur Contexte : Le Théorème d’AmpèreLoi fondamentale de l'électromagnétisme qui relie le champ magnétique à la source de courant électrique qui le crée.. Cet exercice a pour but...

Fréquences de Résonance d’une Cavité
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