E3A Physique Chimie MP 2003Sujet et corrigé
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CONCOURS ENSAM - ESTP - ECRIN - ARCHIMEDE
Epreuve de Physique - Chimie MP durée 4 heures
L'utilisation de la calculatrice est autorisée
Etude d'un gravimètre à lévitation de sphère supraconductrice
Ce problème s'intéresse à un dispositif de mesure du champ de pesanteur
g¯ basé sur la lévitation magnétique d'une sphère supraconductrice en Niobium. Cet appareil, de développement récent, permet de mesurer des variations relatives de
g extrêmement faibles, de l'ordre du milliardième.
Dans la partie
A , on étudie les propriétés chimiques du Niobium, notamment ses modes de préparation.
Dans la partie B , on aborde la physique du fonctionnement de l'appareil, et on en évalue les performances.
Dans la partie B , on aborde la physique du fonctionnement de l'appareil, et on en évalue les performances.
A. Chimie : Le Niobium
Données :
Constante des gaz parfaits:
R = 8, 31 J.K^(− 1).mol^(− 1) .
Constante d'Avogadro:N_A = 6, 02 × 10^(23) mol^(− 1) .
Constante d'Avogadro:
Le Niobium Nb est l'élément de numéro atomique
Z = 41 .
Masse molaire du Niobium :92, 0 g ⋅ mol^(− 1) .
Masse molaire du Niobium :
Données thermodynamiques à 298 K :
Pression standard
P^0 = 1 bar .
Δ_f H^0 : enthalpie molaire standard de formation.
S^0 : entropie molaire standard .
C_p^0 : capacité calorifique molaire à pression constante standard .
L'indice (s ) désigne un solide, (
ℓ ) un liquide et
(g) un gaz.
L'indice (
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0 | 36,5 | 26,0 |
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-1900 | 137 | 150 |
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0 | 205 | 33,0 |
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0 | 28,3 | 24,0 |
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10,6 | 39,6 | 32,0 |
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-1680 | 50,9 | 80,0 |
1. Caractères structuraux
A température ordinaire, le Niobium cristallise avec une structure de type cubique centré, de paramètre de maille
a = 330 × 10^(− 12) m .
a. Dessiner la maille élémentaire du cristal de Niobium.
b. Déterminer le nombre d'atomes de Niobium par maille.
c. Calculer la masse volumique du Niobium enkg.m^(− 3) .
d. Dans un modèle de sphères dures, déterminer le rayon atomique du Niobium.
e. Définir et calculer la compacité de la structure cubique centrée.
a. Dessiner la maille élémentaire du cristal de Niobium.
b. Déterminer le nombre d'atomes de Niobium par maille.
c. Calculer la masse volumique du Niobium en
d. Dans un modèle de sphères dures, déterminer le rayon atomique du Niobium.
e. Définir et calculer la compacité de la structure cubique centrée.
2. Etude de l'oxydation du Niobium.
a. Le Niobium peut former plusieurs oxydes, dont le plus fréquent à l'état naturel a pour formule
Nb_2 O_5 .
- Quel est le nombre d'oxydation du Niobium dans cet oxyde?
- Déterminer la structure électronique de l'atome de Niobium dans son état fondamental et justifier rapidement la stabilité de cet oxyde.
b. Ecrire l'équation-bilan d'obtention deNb_2 O_(5(s)) à partir deNb_((s)) et deO_(2(g)) (gazeux) avec un coefficient stoechiométrique unité pour le dioxygène (réaction (1)). - Calculer numériquement l'enthalpie standard de réaction et l'entropie standard de réaction de la réaction (1) à 298 K .
c. Quel est l'effet d'une augmentation de température sur la constante d'équilibre de la réaction (1) ?
d. Est-il possible à un opérateur d'imposer indépendamment la température et la pression d'un système contenant duNb_((s)) , duNb_2 O_(5(s)) et du dioxygène gazeux en équilibre?
Qu'en est il si le système contient en plus un gaz inerte (par exemple, dans le cas de l'air, du diazote) ?
e. Pour la réaction (1), exprimer la pression partielle d'équilibre en dioxygène à la températureT, p_(O_2, eq)(T) , en fonction deP^0, T, R, Δ_r G^0 .
-Calculer numériquementln((p_(O_2, eq)(T = 298 K))/(P^0)) et commenter le résultat.
f. La pression partielle enO_(2_((g))) est fixée àp_(O_2) . Exprimer l'affinité chimiqueA(T) de la réaction (1) à la températureT , en fonction deR, T, p_(O_2) etp_(O_2, eq)(T) . - Calculer numériquement
A(T = 298 K) quand la pression partielle en dioxygène estp_(O_2) = 0, 2 bar . - Qu'en déduisez vous quant à l'oxydation du Niobium à l'air libre?
g. En dehors de ses applications comme supraconducteur, le Niobium est utilisé en tant que métal exceptionnellement résistant à la corrosion, même à très haute température (par exemple dans le revêtement de réacteurs chimiques). Cela peut-il s'expliquer à l'aide de l'étude thermodynamique précédente ? Si ce n'est pas le cas, proposer une interprétation possible de ces propriétés.
3. Diagramme d'Ellingham
a. Qu'est ce qu'un diagramme d'Ellingham? Qu'appelle-t-on approximation d'Ellingham ? Comment cette approximation se traduit-elle géométriquement sur un diagramme d'Ellingham ?
Le diagramme d'Ellingham des couples
Nb_2 O_5/Nb (courbe(1)),
Al_2 O_3/Al (courbe (2)) et
CO/C (courbe (3)) est donné en annexe.
b. Le pointA de la courbe (2) est un point anguleux (ce qui se voit mal, compte tenu des échelles du diagramme).
Proposer une interprétation et calculer numériquement sa température,T_A , en utilisant les données thermodynamiques.
c. Dans tout le domaine de température considéré,CO est gazeux et
C est solide. Interpréter le signe de la pente de la courbe (3).
b. Le point
Proposer une interprétation et calculer numériquement sa température,
c. Dans tout le domaine de température considéré,
4. Exploitation du Diagramme
a. Réduction de l'oxyde par le carbone
- Dans quel domaine de température peut on obtenir du Niobium en réduisant
Nb_2 O_5 par le carbone? - Ecrire l'équation bilan traduisant cette réaction (avec un coefficient stœchiométrique de 1 pour
Nb_2 O_5 ) - S'agit-il d'une réaction endo- ou exo-thermique ?
- Quelles conclusions pratiques peut-on tirer de ces résultats ?
b. - Justifier à l'aide du diagramme que dans tout le domaine de température envisagé sur le diagramme on peut également obtenirNb_((s)) par réduction de l'oxydeNb_2 O_(5(s)) par l'Aluminium, et écrire l'équation-bilan correspondante (avec un coefficient stoechiométrique de 1 pourNb_2 O_(5(s)) ) . - Calculer numériquement l'enthalpie standard de réaction associée (en supposant que l'aluminium est liquide).
c. On considère un mélange réactionnel à 1000 K comprenant duNb_2 O_(5(s)) et de l'Aluminium liquide dans les proportions stoechiométriques. On laisse évoluer le système de façon adiabatique.
Calculer numériquement la température finale atteinte par le système réactionnel (on admettra que le Niobium et son oxyde restent solides).
Annexe : Diagramme d'Ellingham

B. Physique: Lévitation d'une sphère supraconductrice dans un champ magnétique
Les différentes questions dépendent les unes des autres, mais on pourra utiliser les résultats intermédiaires donnés dans le texte, même si ils n'ont pas été démontrés.
De façon simplifiée, un matériau à l'état supraconducteur se caractérise par les propriétés suivantes :
- la conductivité devient infinie (et donc la résistance d'un élément de circuit supraconducteur est nulle) ;
- le champ magnétique est nul dans tout le volume du matériau (Effet Meissner);
- la densité de courant volumique y est nulle, et il n'existe que des courants de surface.
Signalons au passage que le Niobium est supraconducteur pour les températures inférieures à
9, 3 K .
La base orthonormée directe des coordonnées cartésiennes est notée (
e_x^(→−), e_y→, e_z→ ); la base locale des coordonnées cylindriques est notée (
e_r→, e_θ→, e_z→ ).
1. Champ magnétique au voisinage d'un axe de révolution
On étudie une spire conductrice (C) de rayon a et d'axe
Oz , parcourue par un courant d'intensité
I constante (figure 1).
a. En utilisant la loi de Biot et Savart, montrer que (C) crée en un point de son axe situé à la cotez un champ magnétostatique
B⃗ = B_0(z)e_z→ = f(z)/e_z→ ; avec
f(z) = (μ_0)/2(a^2)/((a^2 + z^2)^(3/2)) .
a. En utilisant la loi de Biot et Savart, montrer que (C) crée en un point de son axe situé à la cote

Figure 1
b. On étudie la topographie du champ magnétique dans le plan
xOz .
- Montrer par un argument de symétrie très précis que le champ magnétique
B¯ en un pointM de coordonnées (x, z ) de ce plan peut s'écrire:
- Exploiter également les symétries du système pour exprimer
B_x(− x, z) en fonction deB_x(x, z) , puisB_z(− x, z) en fonction deB_z(x, z) .
On utilise désormais le système des coordonnées cylindriques. En un point quelconque
M de coordonnées (
r, θ, z ), on écrit le champ magnétique sous la forme :
On se restreint aux points proches de l'axe
Oz .
c. En utilisant les résultats du b., montrer que, àz fixé, le développement limité de
B_r(r, z) en fonction de
r au voisinage de 0 ne fait intervenir que des puissances impaires de
r , alors que celui de
B_z(r, z) ne comprend que des puissances paires de
r .
d. Au premier ordre enr , on écrit donc:
c. En utilisant les résultats du b., montrer que, à
d. Au premier ordre en
A partir de l'équation locale traduisant la conservation du flux de
B¯ , exprimer
α(z) en fonction de
f^′(z) = (df)/(dz) . (On pourra utiliser le formulaire mathématique donné en annexe, à la fin du problème)
e. On poursuit au deuxième ordre enr le développement de
B_z(r, z) , que l'on écrit sous la forme
e. On poursuit au deuxième ordre en
On notera qu'à cet ordre, l'expression de
B_r(r, z) obtenue en d. est inchangée. - En utilisant la forme locale du théorème d'Ampère en un point n'appartenant pas à la spire, exprimer
β(z) en fonction de
f^(′′)(z) = (d^2 f)/(dz^2) .
Dans toute la suite, on admettra les expressions suivantes:
2. Force exercée sur un anneau supraconducteur
La spire (C) est maintenant parcourue par un courant d'intensité variable
I(t) .
On place une spire conductrice circulaire (C^′ ) de rayon
b très petit, d'axe
Oz , à la cote
z . (
C^′ ) est parcourue par un courant
l^′(t) (figure 2). On se place dans l'approximation des régimes quasi permanents et la spire (
C^′ ) est supposée immobile.
a. Calculer, en négligeant les termes d'ordre strictement supérieur à deux enb (termes en
b^3, b^4, … ), le flux
Φ du champ magnétique créé
On place une spire conductrice circulaire (
a. Calculer, en négligeant les termes d'ordre strictement supérieur à deux en

Figure 2
par (C) à travers (C') en fonction de
b, f(z) et
l(t) .
b. On noteL^′ le coefficient d'auto induction de (
C^′ ) et
R^′ sa résistance électrique. Etablir une équation différentielle reliant
(dl)/(dt), l^′(t), (dl^′)/(dt), b, L^′, R^′ et
f(z) .
b. On note
On suppose dans la suite que la spire (
C^′ ) est dans l'état supraconducteur. Dans ces conditions, on a donc
R^′ = 0 .
Initialement les intensités dans les deux spires sont nulles. A partir de
t = 0 , on augmente progressivement l'intensité dans la bobine (C) jusqu'à une valeur
I_0 , après quoi elle est maintenue constante (régime permanent).
c. ExprimerI^′(t) en fonction de
I(t), f(z), b et
L^′ . En déduire l'intensité
I_0^′ existant dans la spire (
C^′ ) lorsque le régime permanent est atteint, ce que l'on suppose dans la suite.
d. - Dans la base (e_r→, e_θ→, e_z→ ), exprimer les composantes de la force élémentaire de Laplace,
dF⃗ , subie par un élément
dℓ de (
C^′ ) en fonction de
I_0^′, dℓ, B_r(r = b, z), B_z(r = b, z) .
c. Exprimer
d. - Dans la base (
- Justifier que la résultante
F⃗ de ces forces est portée par l'axeOz et exprimerF⃗ en fonction deI_0, f(z), α(z), b etL^′ .
e. Montrer que cette force dérive d'une énergie potentielle de la forme :
où
B_0(z) est le champ défini en 1.a. et
K une constante que l'on explicitera en fonction de
b et
L^′ .
3. Equilibre de lévitation magnétique d'une sphère supraconductrice
On étudie désormais en régime permanent l'action d'une bobine sur une sphère supraconductrice (creuse), (
Σ ), de masse
m = 5 × 10^(− 3) kg et de rayon
R = 1, 5 cm (voir figure 3).
La bobine est constituée de
N = 100 spires circulaires, de rayon
a = 5 cm , parcourue par un courant d'intensité
I_0 constante.
Les spires sont très resserrées, de sorte que les expressions du champ magnétique établies

Figure 3
en question 1. restent valables, en remplaçant
IparNI_0 .
Du fait de l'effet Meissner, la surface de la sphère est parcourue de courants induits analogues à ceux qui existaient dans la spire (
C^′ ) de la question précédente.
Nous généralisons les résultats établis en 2., avec les hypothèses simplificatrices suivantes:
Nous généralisons les résultats établis en 2., avec les hypothèses simplificatrices suivantes:
- Le changement de géométrie de la spire à la sphère se traduit par une modification du facteur
K . - L'expression de l'énergie potentielle reste valable lorsque le centre de la sphère est hors de l'axe.
Avec ces hypothèses, nous admettrons que lorsque le centre de (
Σ ) se trouve au point
M (non nécessairement sur l'axe), où la bobine crée un champ
B⃗(M) , la sphère est soumise à une force dérivant de l'énergie potentielle:
En plus de cette force,
(Σ) est soumise à son poids
mg⃗ . L'axe
Oz correspond à la verticale ascendante et
g⃗ = − ge_z→ . On prendra
g = 9, 80 m ⋅ s^(− 2) . On néglige toute autre force.
On étudie seulement les mouvements de translation de la sphère, repérés par les coordonnées cylindriques (
r, θ, z ) de son centre
M .
Dans un premier temps on suppose queM est sur l'axe
Oz de la spire, de telle sorte que
r = 0 ; par ailleurs, on suppose
z > 0 .
a. La sphère est soumise à une forceF⃗(z) = F(z)e_z→ . Montrer que
F(z) peut se mettre sous la forme
F(z) = γz/((a^2 + z^2)^4)I_0^2 et exprimer
γ en fonction de
a, N, μ_0 et
R .
b. Montrer queF(z) passe par un maximum à une cote
z_m que l'on exprimera en fonction de a.
Dans un premier temps on suppose que
a. La sphère est soumise à une force
b. Montrer que
- Exprimer la force maximale
F_m sous la formeF_m = (cγ)/(a^7)l_0^2 , oùc est un facteur dont on donnera la valeur numérique. - Représenter graphiquement
F(z) pourz > 0 .
c. En déduire que l'équilibre de la sphère n'est possible si l'intensitéI_0 est supérieure à une intensitéI_m que l'on exprimera en fonction deγ, m, g, c eta . - Calculer numériquement
I_m , sachant quecγ = 2, 77 × 10^(− 13) N.m^7.A^(− 2) .
d. Montrer que pourI_0 > I_m , il existe deux positions d'équilibre que l'on noteraz_1, z_2 , avecz_1 < z_2 (on pourra raisonner graphiquement). - Montrer qu'une d'entre elles seulement est stable vis à vis d'un petit déplacement selon l'axe
Oz et préciser s'il s'agit dez_1 ouz_2 .
e. On suppose maintenant que la sphère est à l'altitudez_s de la position d'équilibre stable et qu'elle peut légèrement s'écarter de l'axe Oz . - En utilisant les expressions de
B⃗ hors de l'axe établies en question 1 ., et en se limitant à l'ordre 2 enr , exprimer l'énergie potentielle de la sphère,E_p(r, z_s) en fonction der, μ_0, R, I_0, f(z_s), α(z_s) etβ(z_s) . - Vérifier que
r = 0 est bien une position d'équilibre. - Montrer que cet équilibre est stable vis à vis de petits déplacements latéraux si
z_s vérifie:
f. Déduire de la condition (2) l'intervalle des valeurs de
z_s pour lesquelles l'équilibre de lévitation est stable vis à vis de tout déplacement (de petite ampleur). Les bornes de cet intervalle seront exprimées en fonction de a.
4. Principe des mesures de variation de
g⃗ . Sensibilité.
Le système précédent est utilisé pour détecter les petites variations de l'accélération de la pesanteur
g⃗ .
Un premier mode de mesure, dit «à courant constant» consiste à mesurer le déplacement de la sphère induit par une variation de
g⃗ , tous les autres paramètres restant constants.
a. On suppose queg⃗ varie de
δg⃗ = δge_z^– , les autres paramètres restant fixes. La position d'équilibre varie alors de
δz_s (la sphère reste sur l'axe). Calculer la sensibilité
ε de l'appareil, définie par
ε = |(δz_s)/(δg)| , en fonction de
z_s , a et
g .
b. On choisit de se placer enz_s = a/2 . Exprimer alors
ε en fonction de
a et
g . Evaluer numériquement
ε .
c. On cherche à déceler des variations relatives du champ de pesanteur telles que(δg)/g = 10^(− 9) . Calculer numériquement le déplacement correspondant de la sphère. Commenter le résultat en le comparant à d'autre(s) longueur(s) pertinente(s).
a. On suppose que
b. On choisit de se placer en
c. On cherche à déceler des variations relatives du champ de pesanteur telles que
Une autre méthode possible, dite «à sphère fixe» consiste à mesurer la variation d'intensité
δI_0 à appliquer à
I_0 pour maintenir la sphère à une altitude constante, alors que le champ de pesanteur varie de
δg .
d. Exprimer la variationδI_0 en fonction de
I_0, δg et
g . Déterminer
δI_0 pour
I_0 = 13 A et
(δg)/g = 10^(− 9) . Commenter.
d. Exprimer la variation
5. Mesures du déplacement de la sphère par pont de capacités
Pour déceler avec précision les déplacements de la sphère, on fait appel au dispositif suivant (figure 4.a), qui vient se rajouter au dispositif de lévitation (non représenté sur la figure).
.jpg)
La hauteur de
(A) est très exagérée.
Figure 4a
Figure 4a

Figure 4b
La sphère supraconductrice (
Σ ) est placée entre deux coupelles métalliques identiques
(Σ_1) et
(Σ_2) . Ces coupelles sont assimilées à des calottes sphériques de rayon intérieur
R + e , avec
e = 1 mm .
Dans la bande équatoriale un espace est ménagé de façon à ce que (
Σ ) soit entourée d'un anneau conducteur cylindrique (A), d'axe
Oz , de petite hauteur
h et de rayon
R + e . L'anneau (A) et les deux coupelles sont fixes et liés au support de l'appareil (et donc à la bobine de lévitation).
La sphère (
Σ ) est libre de se déplacer dans la cavité qui l'entoure et l'espace entre les sphères est vide.
Dans la position de repos, (obtenue pour une valeur de référence de
g et de
I_0 ),
(Σ), (Σ_1) et
(Σ_2) sont concentriques.
a. On noteS l'aire de (
Σ_1 ) qui est en vis à vis avec (
Σ ) et on suppose que (
Σ )est en position de repos.
Justifier qualitativement que la capacitéC_0 entre (
Σ )et (
Σ_1 ) peut être assimilée à celle d'un condensateur plan. Exprimer
C_0 en fonction de
ε_0, S et
e en négligeant les effets de bord.
Calculer numériquementC_0 si
S = 1, 40 × 10^(− 3) m^2 .
b. Lorsque la sphère subit un petit déplacementδz selon
Oz , la capacité entre (
Σ ) et (
Σ_1 ) devient
C_1 = C_0 × (1 + k(δz)/e) , où
k est un facteur numérique. Celle entre
(Σ) et
(Σ_2) devient
C_2 = C_0 × (1 − k(δz)/e) .
a. On note
Justifier qualitativement que la capacité
Calculer numériquement
b. Lorsque la sphère subit un petit déplacement
- Justifier qualitativement ces résultats.
- Dans les applications numériques on prendra
k = 0, 5 . Pourquoik ne vaut-il pas simplement 1 ? - Pourquoi peut-on considérer que la capacité
C 'entre(A) et(Σ) est pratiquement indépendante de la position de la sphère?
D'un point de vue électrocinétique, le montage est équivalent à celui présenté sur la figure 4b. Le système est utilisé en régime sinusoïdal établi de pulsationω . La tensionV(t) enA ' est mesurée avec un oscilloscope d'impédance d'entrée supposée infinie.
La sphère
(Σ_1) est portée au potentiel sinusoïdal
V_1 = Ucos(ωt) et
(Σ_2) au potentiel
V_2 = − Ucos(ωt) , exactement opposé à
V_1 .
c. Proposer un montage électronique très simple utilisant un amplificateur opérationnel (que l'on supposera idéal) permettant en pratique d'obtenir l'opposée d'une tension donnée.
d. On suppose que la sphère se déplace deδz . Déterminer la tension
V(t) en fonction de
δz, ω, t, k, e et
U .
c. Proposer un montage électronique très simple utilisant un amplificateur opérationnel (que l'on supposera idéal) permettant en pratique d'obtenir l'opposée d'une tension donnée.
d. On suppose que la sphère se déplace de
- Calculer numériquement l'amplitude crête à crête de ce signal si
δz = 10^(− 11) m etU = 1000 V . - Une telle tension est-elle mesurable?
e. On admet qu'un élément de surfacedS⃗ de conducteur chargé en surface avec une densité surfaçiqueσ est soumis à une forcedF⃗_(el) = (σ^2)/(2ε_0)dS⃗ , orientée vers l'extérieur du conducteur. - Justifier que lorsque la sphère (
Σ ) et les coupelles sont concentriques, la force totale subie par la sphère est nulle. - Justifier qualitativement que, lorsque la sphère se déplace de
δz ≠ 0 , la résultante des forces électrostatiques moyennes exercées sur la sphère est non nulle. Préciser son sens en fonction du signe deδz . - Déterminer un ordre de grandeur de la force électrostatique moyenne résultante,
F_(el)^(→−) , pour un petit déplacementδz de la sphère, en fonction deδz, e, S, ε_0, U . - Calculer numériquement cet ordre de grandeur, en supposant
δz = 10^(− 11) m (avec les mêmes valeurs numériques que précédemment). - Quelle variation relative de
g produirait la même force sur la sphère de massem ? Commenter.
A votre avis est-il préférable d'utiliser l'appareil à courant constant ou à sphère fixe?
6. Conclusion
a. Présentez deux méthodes différentes de celle analysée dans ce problème permettant de mesurer
g⃗ . Analysez succinctement ce qui limite leur performance.
b. L'appareil est surtout utilisé pour mettre en évidence des variations temporelles du champ de pesanteur. Quel(s) type(s) de phénomène(s) peuvent engendrer ces variations?
b. L'appareil est surtout utilisé pour mettre en évidence des variations temporelles du champ de pesanteur. Quel(s) type(s) de phénomène(s) peuvent engendrer ces variations?
Annexes:
Constantes fondamentales
Permittivité du vide
ε_0 = 8, 85 × 10^(− 12) F.m^(− 1)
Perméabilité du videμ_0 = 4π × 10^(− 7)H.m^(− 1) .
Perméabilité du vide
Formulaire mathématique :
On rappelle les expressions suivantes de certains opérateurs d'analyse vectorielle, exprimés dans le système des coordonnées cylindriques, d'axe
Oz et de base (
e_r→, e_θ→, e_z→ ).
Soit un champ de vecteursA⃗ = A_r(r, θ, z)e_r→ + A_θ(r, θ, z)e_θ→ + A_z(r, θ, z)e_z→ :
rot^(→−)A⃗ = [1/r(∂A_z)/(∂θ) − (∂A_θ)/(∂z)]e_r→ + [(∂A_r)/(∂z) − (∂A_z)/(∂r)]e_θ→ + [1/r(∂(rA_θ))/(∂r) − 1/r(∂A_r)/(∂θ)]e_z→
divA⃗ = 1/r(∂(rA_r))/(∂r) + 1/r(∂A_θ)/(∂θ) + (∂A_z)/(∂z)
pour un champ scalairef(r, θ, z) :
gradf^(→−) = (∂f)/(∂r)e_r→ + 1/r(∂f)/(∂θ)e_θ→ + (∂f)/(∂z)e_z→
Soit un champ de vecteurs
pour un champ scalaire
Pas de description pour le moment
