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name: LINEAR - Maxwell's equations name: LINEAR - Maxwell's equations
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name: PARALLEL: Propagation of EM waves, from vacuum to isotropic material media
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name: SITUATION: Maxwell's equations in electromagnetism
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name: TOOL-MATH: Combination of operators for electromagnetism
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--- ---
<!--MétaDonnée : ... --> <!--MétaDonnée : ... -->
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### Maxwell's equations. ### ELECTROMAGNETISM
<br>
RÉSUMÉ ### **Maxwell’s Equations**<br>*and the electromagnetic field $`(\overrightarrow{E}, \overrightarrow{B})`$*
: ---
*Domaine de validité* : <br><br>
Très général. Dans le vide, et même dans la matière si l'échelle d'observation n'est pas mésoscopique, **SUMMARY**
mais atomique. : ---
Attention toutefois, une description plus exacte de la matière à l'échelle atomique
requiert l'utilisation de la physique quantique.
_Attention : Les expressions ci-dessous ne sont valables que dans le système international d'unité $`SI`$, anciennement $`MKS`$._ *Domain of validity*:
Very general. In vacuum, and even in matter if the observation scale is not mesoscopic,
but atomic.
However, a more accurate description of matter at the atomic scale
requires the use of quantum physics.
--- *Note: The expressions below are only valid in the International System of Units ($`SI`$), formerly $`MKS`$.*
*Forme locale des équations de Maxwell* ---
*Local form of Maxwell’s equations*
* En tout point de l'espace et à tout instant : * At every point in space and at every instant:
<br> <br>
$`\left\{\begin{array}{l} $`\left\{\begin{array}{l}
div \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}\quad \small{(Maxwell-Gauss)}\\ \text{div } \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}\quad \small{(Maxwell-Gauss)}\\
div \overrightarrow{B} = 0\quad \small{(Maxwell-flux)}\\ \text{div } \overrightarrow{B} = 0\quad \small{(Maxwell-Thomson)}\\
\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\quad\small{(Maxwell-Faraday)}\\ \overrightarrow{\text{curl}} \;\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\quad\small{(Maxwell-Faraday)}\\
\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\quad\small{(Maxwell-Ampère)} \overrightarrow{\text{curl}} \;\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\\
\hspace{3.5cm}\small{(Maxwell-Ampère)}
\end{array}\right.`$ \end{array}\right.`$
<br> <br>
avec $`\dens`$ densité volumique de charge with $`\dens`$ volume charge density
&nbsp;&nbsp; et $`\overrightarrow{j}`$ vecteur densité volumique de courant. &nbsp;&nbsp; and $`\overrightarrow{j}`$ volume current density vector.
* $`\Longrightarrow`$ la conservation de la charge : * $`\Longrightarrow`$ charge conservation:
$`div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}=0`$ $`\text{div}\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}=0`$
* $`\Longrightarrow`$ la propagation dans le vide * $`\Longrightarrow`$ propagation in vacuum
de l'onde électromagnétique (EM), partie variable du champ électromagnétique : of the electromagnetic (EM) wave, the variable part of the electromagnetic field:
<br> <br>
$`\left\{\begin{array}{l} $`\left\{\begin{array}{l}
\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}\\ \Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}\\
\Delta \;\overrightarrow{B}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0} \Delta \;\overrightarrow{B}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}
\end{array}\right.`$ \end{array}\right.`$
<br> <br>
à la célérité $`c=299 792 458 m\,s^{-1}\approx 3\times 10^8 m\,s^{-1}`$, at the speed $`c=299,792,458 \, \text{m}\,\text{s}^{-1}\approx 3\times 10^8 \, \text{m}\,\text{s}^{-1}`$,
constante fundamentale de la nature. a fundamental constant of nature.
* $`\Longrightarrow`$ le champ EM contient de l'énergie, * $`\Longrightarrow`$ the EM field contains energy,
en densité volumique : in volume density:
$`\small{\dens}`$$`\; = \dfrac{\epsilon_0\,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{E}}{2}+\dfrac{\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{B}}{2\mu_0}`$ $`\small{\dens}_{\text{energ.EM}} = \dfrac{\epsilon_0\,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{E}}{2}+\dfrac{\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{B}}{2\mu_0}`$
* $`\Longrightarrow`$ tout $`\overrightarrow{dS}`$ reçoit la puissance EM : * $`\Longrightarrow`$ every $`\overrightarrow{dS}`$ receives EM power:
$`d\mathcal{\overrightarrow{\Pi}}_{EM}=\overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}`$ $`d\overrightarrow{\mathcal{P}}_{EM}=\overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}`$
avec $`\overrightarrow{\Pi}=\dfrac{\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}}{\mu_0}`$ vecteur de Poynting. with $`\overrightarrow{\Pi}=\dfrac{\overrightarrow{E}\times\overrightarrow{B}}{\mu_0}`$ the Poynting vector.
* $`\Longrightarrow`$ le champ EM cède de l'énergie à la matière par effet Joule : * $`\Longrightarrow`$ the EM field yields energy to matter via the Joule effect:
$`\mathcal{P}_{cédée} = \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}\,d\tau`$ $`\mathcal{P}_{\text{ceded}} = \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}\,d\tau`$
* $`\Longrightarrow`$ toute particule chargée accélérée génère une onde électromagnétique. * $`\Longrightarrow`$ every accelerated charged particle generates an electromagnetic wave.
<br> <br>
#### Quel fut le travail de Maxwell ? #### What was Maxwell’s work?
* *Jusqu'au milieu du XIVème siècle*, **électricité, magnétisme et optique** étaient étudiés dans des *domaines scientifiques distincts*.
* Cependant l'*observation de phénomènes naturels et d'expériences de laboratoire* montrèrent une * *Until the mid-14th century*, **electricity, magnetism, and optics** were studied in *distinct scientific fields*.
**interaction incomprise entre électricité, magnétisme,** voire **optique**.
* naturel : la foudre peu charger des objets métalliques, aimante le fer, créé un éclair.
* expériences :
\- un courant dévie l'aiguille d'une boussole.
\- le déplacement d'un aimant créé un courant.
* Bon mathématicien, **Maxwell** fait *synthèse des résultats expérimentaux* de son époque * However, *observations of natural phenomena and laboratory experiments* revealed an
qui se résume en 4 équations, les *équations de Maxwell*. **unexplained interaction between electricity, magnetism,** and even **optics**.
* Natural: lightning can charge metallic objects, magnetize iron, and create a flash.
* Experiments:
\- A current deflects a compass needle.
\- Moving a magnet creates a current.
* Ces 4 équations **unifient électricité, magnétisme et optique** au sein de l'électromagnétisme, * A skilled mathematician, **Maxwell** *synthesized the experimental results* of his time
et élargissent l'optique à un *monde nouveau : les ondes électromagnétiques*. into 4 equations, the *Maxwell’s equations*.
![](Maxwell-equation-en.png) * These 4 equations **unify electricity, magnetism, and optics** within electromagnetism,
_Maxwell modifie deux des équations de l'électrostatique et de la magnétostatique en and expand optics to a *new world: electromagnetic waves*.
introduisant des termes de couplage entre E et B,
et révolutionne ainsi la physique._
#### Pourquoi disons-nous "équations" et pas "théorèmes" de Maxwell ? ![Maxwell's Equations](Maxwell-equation-fr.png)
*Maxwell modified two of the equations of electrostatics and magnetostatics by
introducing coupling terms between E and B,
thus revolutionizing physics.*
* Les **4 équations de Maxwell** *ne sont pas démontrées*, donc elles ne constituent pas des théorèmes. #### Why do we say "equations" and not "theorems" of Maxwell?
* Elles sont *posées et supposées vraies*, ce **sont des postulats**.
* The **4 Maxwell’s equations** *are not proven*, so they do not constitute theorems.
* They are *stated and assumed true*, they **are postulates**.
<!----------------- <!-----------------
#### Pourquoi ces équations fondent l'électromagnétisme ? #### Why do these equations found electromagnetism?
#### Quel est le domaine de validité de ces équations ? #### What is the domain of validity of these equations?
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<br> <br>
...@@ -158,164 +146,160 @@ et révolutionne ainsi la physique._ ...@@ -158,164 +146,160 @@ et révolutionne ainsi la physique._
<br> <br>
#### Que sont ces 4 équations de Maxwell ? #### What are these 4 Maxwell’s equations?
##### Sous forme locale ##### Local form
_(fondamental, connaître)_ *(fundamental, must know)*
* Deux **expressions de la divergence** des champs $`\overrightarrow{E}`$ et $`\overrightarrow{B}`$ *inchangées par rapport au cas stationnaire* (électrostatique et magnétostatique) : * Two **divergence expressions** of the fields $`\overrightarrow{E}`$ and $`\overrightarrow{B}`$ *unchanged from the stationary case* (electrostatics and magnetostatics):
* **$`\large{\mathbf{div \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}}}`$** &nbsp;&nbsp;&nbsp;q. *Maxwell-Gauss*). * **$`\large{\mathbf{\text{div } \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}}}`$** &nbsp;&nbsp;&nbsp;(eq. *Maxwell-Gauss*).
* ** $`\large{\mathbf{div \overrightarrow{B} = 0}}`$** &nbsp;&nbsp;&nbsp;(éq. *Maxwell-flux*). * **$`\large{\mathbf{\text{div } \overrightarrow{B} = 0}}`$** &nbsp;&nbsp;&nbsp;(eq. *Maxwell-Thomson*).
* Two **curl expressions** of the fields $`\overrightarrow{E}`$ and $`\overrightarrow{B}`$ that *change and couple the fields $`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$ and $`\mathbf{\overrightarrow{B}}`$*:
* Deux **expressions du rotationnel** des champs $`\overrightarrow{E}`$ et $`\overrightarrow{B}`$ qui *changent et couplent les champs $`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$ et $`\mathbf{\overrightarrow{B}}`$* : * **$`\large{\mathbf{\overrightarrow{\text{curl}} \;\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}}}`$**
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(eq. *Maxwell-Faraday*).
* **$`\large{\mathbf{\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}}}`$** * **$`\large{\mathbf{\overrightarrow{\text{curl}} \;\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}}}`$**
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(éq. *Maxwell-Faraday*). &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(eq. *Maxwell-Ampère*).
* **$`\large{\mathbf{\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}}}`$** * where:
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(éq. *Maxwell-Ampère*). * $`\dens=\dens^{3D}`$ is the volume charge density.
* $`\overrightarrow{j}=\overrightarrow{j}^{3D}`$ is the volume current density vector.
* où :
* $`\dens=\dens^{3D}`$ est la densité volumique de charge.
* $`\overrightarrow{j}=\overrightarrow{j}^{3D}`$ est le vecteur densité volumique de courant.
------------------ ------------------
* Et ces équations *réécrites avec l'opérateur nabla : $`\mathbf{\nabla}`$ * * And these equations *rewritten with the nabla operator: $`\mathbf{\nabla}`$*:
* **$`\mathbf{\nabla\cdot\overrightarrow{E}=\dfrac{\dens}{\epsilon_0}}`$** * **$`\mathbf{\nabla\cdot\overrightarrow{E}=\dfrac{\dens}{\epsilon_0}}`$**
* **$`\mathbf{\nabla\cdot\overrightarrow{B}=0}`$** * **$`\mathbf{\nabla\cdot\overrightarrow{B}=0}`$**
* **$`\mathbf{\nabla\land\overrightarrow{E}= -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}}`$** * **$`\mathbf{\nabla\times\overrightarrow{E}= -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}}`$**
* **$`\mathbf{\nabla\land\overrightarrow{B}= \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}}`$**
* **$`\mathbf{\nabla\times\overrightarrow{B}= \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}}`$**
------------------ ------------------
##### Integral form
##### Sous forme intégrale *(must know how to re-demonstrate)*
_(savoir redémontrer)_
* They **are deduced from the local equations**, with the help of:
* the *Divergence Theorem*:
* Elles **se déduisent des équations locales**, avec l'aide : $`\forall \overrightarrow{X}(\overrightarrow{r})`$:
* du *théorème d'Ostrograsky* : *$`\displaystyle\iiint_{\tau} \text{div}\,\overrightarrow{X} \cdot d\tau = \displaystyle
$`\forall \overrightarrow{X}(\overrightarrow{r})`$ : \oiint_{S\leftrightarrow\tau} \overrightarrow{X}\cdot\overrightarrow{dS}`$*
*$`\displaystyle\iiint_{\Ltau} div\;\overrightarrow{X} \cdot d\tau = \displaystyle * the *Stokes' Theorem*:
\oiint_{S\leftrightarrow\Ltau} \overrightarrow{X}\cdot\overrightarrow{dS}`$* $`\forall \overrightarrow{X}(\overrightarrow{r})`$:
* du *théorème de Stokes* : *$`\displaystyle\iint_{S} \;\overrightarrow{\text{curl}}\,\overrightarrow{X} \cdot dS
$`\forall \overrightarrow{X}(\overrightarrow{r})`$ :
*$`\displaystyle\iint_{S} \;\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{X} \cdot dS
= \displaystyle \oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{X}\cdot\overrightarrow{dl}`$*. = \displaystyle \oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{X}\cdot\overrightarrow{dl}`$*.
* **Maxwell-Gauss** : -----------
À tout instant t, et pour tout volume $`\tau`$ : * **Maxwell-Gauss Equation**:
At any instant t, and for any volume $`\tau`$:
* $`\forall \overrightarrow{r}, div \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}`$ * $`\forall \overrightarrow{r},\;`$ *$`\mathbf{\text{div } \overrightarrow{E} = \dfrac{\dens}{\epsilon_0}}`$*
$`\Longrightarrow \iiint_{\Ltau} div \overrightarrow{E}\,d\tau = \iiint_{\Ltau}\dfrac{\dens}{\epsilon_0}\,d\tau`$ $`\Longrightarrow \iiint_{\tau} \text{div } \overrightarrow{E}\,d\tau = \iiint_{\tau}\dfrac{\dens}{\epsilon_0}\,d\tau`$
* $`\left.\begin{array}{l} * $`\left.\begin{array}{l}
\iiint_{\Ltau} div \overrightarrow{E}\,d\tau = \iiint_{\Ltau}\dfrac{\dens}{\epsilon_0}\,d\tau \\ \iiint_{\tau} \text{div } \overrightarrow{E}\,d\tau = \iiint_{\tau}\dfrac{\dens}{\epsilon_0}\,d\tau \\
\iiint_{\Ltau} div\;\overrightarrow{E} \cdot d\tau = \displaystyle \iiint_{\tau} \text{div}\,\overrightarrow{E} \cdot d\tau = \displaystyle
\soiint_{S\leftrightarrow\Ltau} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} \oiint_{S\leftrightarrow\tau} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}
\end{array}\right\}`$ \end{array}\right\}`$
$`\Longrightarrow`$ $`\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\displaystyle \quad\oiint_{S\leftrightarrow\Ltau} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} **$`\mathbf{\displaystyle \quad\oiint_{S\leftrightarrow\tau} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}
= \dfrac{1}{\epsilon_0} \cdot \iiint_{\Ltau} \rho \cdot d\tau = \dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}}`$** = \dfrac{1}{\epsilon_0} \cdot \iiint_{\tau} \rho \cdot d\tau = \dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}}`$**
------------ ------------
* **Maxwell-flux** : * **Maxwell-Thomson Equation**:
At any instant t, and for any volume $`\tau`$:
* $`\forall \overrightarrow{r},\;`$ *$`\mathbf{\text{div } \overrightarrow{B} = 0}`$*
À tout instant t, et pour tout volume $`\tau`$ : $`\Longrightarrow \iiint_{\tau} \text{div } \overrightarrow{B}\,d\tau = 0`$
* $`\forall \overrightarrow{r}, div \overrightarrow{B} = 0`$
$`\Longrightarrow \iiint_{\Ltau} div \overrightarrow{B}\,d\tau = 0`$
* $`\left.\begin{array}{l} * $`\left.\begin{array}{l}
\iiint_{\Ltau} div \overrightarrow{B}\,d\tau = 0 \\ \iiint_{\tau} \text{div } \overrightarrow{B}\,d\tau = 0 \\
\iiint_{\Ltau} div\;\overrightarrow{B} \cdot d\tau = \displaystyle \iiint_{\tau} \text{div}\,\overrightarrow{B} \cdot d\tau = \displaystyle
\soiint_{S\leftrightarrow\Ltau} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} \oiint_{S\leftrightarrow\tau} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}
\end{array}\right\}`$ \end{array}\right\}`$
$`\Longrightarrow`$ $`\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\displaystyle \quad\oiint_{S\leftrightarrow\Ltau} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}= 0}`$** **$`\mathbf{\displaystyle \quad\oiint_{S\leftrightarrow\tau} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}= 0}`$**
-----------------
* **Maxwell-Faraday** : ------------
* **Maxwell-Faraday Equation**:
À tout instant t, At any instant t,
et pour toute surface $`S`$ ouverte et orientée, fixe et indéformable, qui s'appuie sur un contour $`\Gamma`$ and for any open and oriented surface $`S`$, immobile and undeformable, supported by a contour $`\Gamma`
d'orientation compatible avec celle de $`S`$ selon la règle de la main droite : (also immobile and undeformable),
with orientation compatible with that of $`S`$ according to the right-hand rule:
* $`\forall \overrightarrow{r}, \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}`$ * $`\forall \overrightarrow{r},\;`$ *$`\mathbf{\overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{E} = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}}`$*
$`\Longrightarrow \iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(-\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\overrightarrow{dS}\Big)`$ $`\Longrightarrow \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(-\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\overrightarrow{dS}\Big)`$
<br> <br>
* $`\left.\begin{array}{l} * $`\left.\begin{array}{l}
\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(-\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\overrightarrow{dS}\Big) \\ \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(-\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\cdot\overrightarrow{dS}\Big) \\
\text{Newton : espace et temps indépendants,} \\ \text{Newton: space and time independent,} \\
\text{ordre dérivation/intégration n'importe pas} \text{order of derivation/integration} \\
\end{array}\right\}`$ \text{does not matter}
$`\Longrightarrow`$ \end{array}\right\}`$
$`\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = -\dfrac{d}{dt}\Big(\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}\Big)`$ $`\Longrightarrow`$
<br> $`\iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = -\dfrac{d}{dt}\Big(\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}\Big)`$
<br>
* $`\left.\begin{array}{l} * $`\left.\begin{array}{l}
\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = -\dfrac{d}{dt}\Big(\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}\Big) \\ \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} = -\dfrac{d}{dt}\Big(\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}\Big) \\
\iint_{S} \;\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{E} \cdot dS = \oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl} \iint_{S} \;\overrightarrow{\text{curl}}\;\overrightarrow{E} \cdot dS = \oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl}
\end{array}\right\}`$ \end{array}\right\}`$
$`\Longrightarrow`$ $`\Longrightarrow`$
**$`\begin{array}{l} **$`\begin{array}{l}
&nbsp; \\ &nbsp; \\
\mathbf{\displaystyle\quad\oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl}= -\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}} \mathbf{\displaystyle\quad\oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl}= -\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}}
\end{array}`$** \end{array}`$**
<br> <br>
* Cette équation joue un *rôle important pour les phénomènes d'induction*. * This equation plays an *important role in Neumann's induction phenomena*.
_La quantité_ $`\oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl}`$ The quantity $`\oint_{\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dl}`
_d'appelation historique imparfaite "force électromotrice (fem)", homogène à une tension, est à l'origine d'un courant_ with the historically imperfect name "electromotive force (emf)", homogeneous to a voltage, is the origin of an electric current
_électrique traversant le contour $`\Gamma`$ si celui-ci représente un circuit conducteur._ flowing through the contour $`\Gamma`$ if it represents a conductive circuit.
--------------- ---------------
* **Maxwell-Ampère** : * **Maxwell-Ampère Equation**:
À tout instant t, At any instant t,
et pour toute surface $`S`$ ouverte et orientée, fixe et indéformable, qui s'appuie sur un contour $`\Gamma`$ and for any open and oriented surface $`S`$, fixed and undeformable, supported by a contour $`\Gamma`
d'orientation compatible avec celle de $`S`$ selon la règle de la main droite : with orientation compatible with that of $`S`$ according to the right-hand rule:
<br> <br>
$`\forall \overrightarrow{r}, \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}`$ $`\forall \overrightarrow{r},\;`$ *$`\mathbf{\overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{B} = \mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}}`$*
$`\Longrightarrow`$$` \iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(\mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)\cdot\overrightarrow{dS}`$ $`\Longrightarrow`$ $` \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(\mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)\cdot\overrightarrow{dS}`$
<br> <br>
$`\left.\begin{array}{l} $`\left.\begin{array}{l}
\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(\mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)\cdot\overrightarrow{dS} \\ \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} = \iint_S\Big(\mu_0\;\overrightarrow{j} + \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)\cdot\overrightarrow{dS} \\
\text{Newton : espace et temps indépendants},\\ \text{Newton: space and time independent},\\
\text{ordre dérivation/intégration n'importe pas} \text{order of derivation/integration does not matter}
\end{array}\right\}`$ \end{array}\right\}`$
$`\Longrightarrow`$ $`\Longrightarrow`$
$`\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}`$$`\; = \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} + $`\iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}`$ $`\; = \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +
\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}`$ \mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}`$
<br> <br>
$`\left.\begin{array}{l} $`\left.\begin{array}{l}
\iint_S \overrightarrow{rot} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} = \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} + \iint_S \overrightarrow{\text{curl}} \,\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS} \\
\quad = \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +
\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} \\ \mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS} \\
\iint_{S} \;\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{B} \cdot dS = \oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl} \iint_{S} \;\overrightarrow{\text{curl}}\;\overrightarrow{B} \cdot dS = \oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl}
\end{array}\right\}`$ \end{array}\right\}`$
$`\Longrightarrow`$ $`\Longrightarrow`$
**$`&nbsp;\mathbf{\displaystyle\;\,\oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl}}`$ **$`&nbsp;\mathbf{\displaystyle\;\,\oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl}}`$
$`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}}`$** $`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}}`$**
<br> <br>
...@@ -323,101 +307,105 @@ $`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{d ...@@ -323,101 +307,105 @@ $`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{d
<br> <br>
#### Pourquoi parlons-nous de champ électromagnétique ? #### Why do we speak of an electromagnetic field?
* Les 2 équations de couplage de $`\overrightarrow{E}`$ et $`\overrightarrow{B}`$ impliquent * The 2 coupling equations of $`\overrightarrow{E}`$ and $`\overrightarrow{B}`$ imply
que **variables, $`\overrightarrow{E}`$ et $`\overrightarrow{B}`$ ne peuvent exister l'un sans l'autre**. that **variables, $`\overrightarrow{E}`$ and $`\overrightarrow{B}`$ cannot exist without each other**.
* Le terme *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\ne 0`$ implique $`\overrightarrow{E}\ne \overrightarrow{0}`$* * The term *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\ne 0`$ implies $`\overrightarrow{E}\ne \overrightarrow{0}`$*
* Le terme *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\ne 0`$ implique $`\overrightarrow{B}\ne \overrightarrow{0}`$* * The term *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\ne 0`$ implies $`\overrightarrow{B}\ne \overrightarrow{0}`$*
<br> <br>
------------ -------------
<br> <br>
#### Que disent les équations de Maxwell sur la conservation de la charge ? #### What do Maxwell's equations say about charge conservation?
##### Loi de conservation de la charge électrique ##### Law of conservation of electric charge
* Dans la matière, les **charges électriques** sont portées par les *électrons* et * In matter, **electric charges** are carried by *electrons* and
les *protons* des noyaux atomiques. *En physique classique*, ces particules existent, *protons* in atomic nuclei. *In classical physics*, these particles exist,
et elles **ne peuvent ni surgir du vide, ni disparaître**. and they **can neither emerge from nothing nor disappear**.
* Ainsi le **principe de conservation de la charge** électrique peut se résumer en une phrase : * Thus, the **principle of conservation of electric charge** can be summarized in one sentence:
<br> <br>
! *Dans tout volume de l'espace et pendant une durée donnée, la charge électrique* ! *In any volume of space and over a given duration, the electric charge*
! *qui entre dans ce volume moins la charge électrique* ! *entering this volume minus the electric charge*
! *qui en sort est égale à la variation de la charge dans le volume.* ! *leaving it is equal to the change in charge within the volume.*
<br>
Cela se traduit en *écriture mathématique* par l'**expression intégrale**:
<br>
Pour toute surface fermée $`S`$ délimitant un volume macroscopique $`\Ltau`$,
<br>
**$`\mathbf{\oiint_{S\leftrightarrow\Ltau}\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS}+\iiint_{\Ltau}\dfrac{\partial\dens}{\partial t}\cdot d\tau=0}`$**
<br>
qui s"énonce :
<br>
! *Le flux du vecteur densité de courant volumique à travers une surface fermée,*
! *est égal à la dérivée temporelle de la charge totale contenue à l'intérieur de cette surface fermée.*
![](charge-conservation-law-L1200.jpg) <br>
This is expressed mathematically by the **integral expression**:
<br>
For any closed surface $`S`$ bounding a macroscopic volume $`\tau`$,
<br>
**$`\mathbf{\oiint_{S\leftrightarrow\tau}\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS}+\iiint_{\tau}\dfrac{\partial\dens}{\partial t}\cdot d\tau=0}`$**
<br>
which states:
<br>
! *The flux of the volume current density vector through a closed surface*
! *is equal to the time derivative of the total charge contained within this closed surface.*
* Cette égalité étant vérifiée quelque-soit le volume d'intégration, c'est que ![Charge conservation law](charge-conservation-law-L1200.jpg)
l'égalité porte sur les intégrandes eux-mêmes.
$`\Longrightarrow`$ la loi de conservation a aussi une **expression locale**, valide en tout point de l'espace, qui s'écrit : * Since this equality holds for any integration volume, it must apply to the integrands themselves.
<br> $`\Longrightarrow`$ The conservation law also has a **local expression**, valid at every point in space, which is written as:
**$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}=0}`$** <br>
**$`\mathbf{\text{div}\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}=0}`$**
<br><br> <br><br>
![](charge-conservation-1-L1200.jpg) ![Charge conservation](charge-conservation-1-L1200.jpg)
<br> <br>
##### Etude des équation de Maxwell ##### Study of Maxwell's equations
* **Partons de** la combinaison d'opérateurs remarquable, valable pour tout champ vectoriel $`\overrightarrow{U}`$, * **Let's start** with the remarkable operator combination, valid for any vector field $`\overrightarrow{U}`$,
qui s'énonce which states:
*" La divergence du rotationnel d'un champ vectoriel est toujours nulle. "* : *"The divergence of the curl of a vector field is always zero."*
<br> <br>
$`\forall \overrightarrow{X}\big(\overrightarrow{r},t\big)\;,`$*$`\quad \mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{X}\big)=0}`$*. $`\forall \overrightarrow{X}\big(\overrightarrow{r},t\big)\;,`$*\$`\quad \mathbf{\text{div}\big(\overrightarrow{\text{curl}}\,\overrightarrow{X}\big)=0}`$*.
<br> <br>
et appliquons là au champ d'induction magnétique $`\overrightarrow{B}`$ : and apply it to the magnetic induction field $`\overrightarrow{B}`$:
<br> <br>
**$`\mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}\big)=0}`$**. **$`\mathbf{\text{div}\big(\overrightarrow{\text{curl}}\,\overrightarrow{B}\big)=0}`$**.
* La *loi de Maxwell-Ampère* * The *Maxwell-Ampère law*
*$`\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}`$* *$`\overrightarrow{\text{curl}}\,\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}`\$*
permet d'écrire : allows us to write:
<br> <br>
**$`\mathbf{div\Big(\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0}`$** **$`\mathbf{\text{div}\Big(\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0}`$**
* En divisant les termes de droite et de gauche par $`\mu_0`$, l'équation se simplifie : * Dividing both sides by $`\mu_0`$, the equation simplifies to:
<br> <br>
$`div\Big(\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$ $`\text{div}\Big(\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$
* L'équation contient déjà $`\overrightarrow{j}`$, je cherche à faire apparaître $`\dens`$. * The equation already contains $`\overrightarrow{j}`$, I seek to make $`\dens`$ appear.
Pour cela, je cherche à faire apparaître $`div\,\overrightarrow{j}`$ pour ensuite utiliser la loi de maxwell-Gauss. To do this, I seek to make $`\text{div}\,\overrightarrow{j}`$ appear in order to then use the Maxwell-Gauss law.
<br> <br>
$`div\,\overrightarrow{j} + div\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$ $`\text{div}\,\overrightarrow{j} + \text{div}\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$
<!-------------------- <!--------------------
L'espace et le temps étant découplés en physique classique, l'ordre de différentiation Since space and time are decoupled in classical physics, the order of differentiation
et intégration n'importe pas si elles s'appliquent l'une à des coordonnées spatiales and integration does not matter if one applies to spatial coordinates
et l'autre au temps. Ainsi : and the other to time. Thus:
$`div\,\overrightarrow{j} + $`\text{div}\,\overrightarrow{j} +
\dfrac{\partial}{\partial t}\Big(\epsilon_0\, div\,\overrightarrow{E}\Big)=0`$ \dfrac{\partial}{\partial t}\Big(\epsilon_0\, \text{div}\,\overrightarrow{E}\Big)=0`$
ce qui permet d'écrire, which allows us to write,
$`div\,\overrightarrow{j} + \dfrac{\partial\dens}{\partial t}=0`$ $`\text{div}\,\overrightarrow{j} + \dfrac{\partial\dens}{\partial t}=0`$
Je reconnais là la loi de conservation de la charge. I recognize here the law of conservation of charge.
-----------------------> ----------------------->
* Dans le cadre de la *physique classique, espace et temps sont indépendants*, * Dans le cadre de la *physique classique, espace et temps sont indépendants*,
l'ordre de dérivation par une variable spatiale et une variable temporelle n'importe pas : l'ordre de dérivation par une variable spatiale et une variable temporelle n'importe pas :
<br> <br>
...@@ -642,16 +630,87 @@ $`\displaystyle d\mathcal{P}_{cédée} = \sum_{i=1}^p\overrightarrow{j_i}\cdot\ ...@@ -642,16 +630,87 @@ $`\displaystyle d\mathcal{P}_{cédée} = \sum_{i=1}^p\overrightarrow{j_i}\cdot\
l'énergie contenue dans le champ est décrite par l'énergie contenue dans le champ est décrite par
une **densité volumique d'énergie électromagnétique $`\dens_{énergie-EM}^{3D}`$** définie en chaque point de l'espace. une **densité volumique d'énergie électromagnétique $`\dens_{énergie-EM}^{3D}`$** définie en chaque point de l'espace.
* A partir des équations de Maxwell, on montre avec une combinaison d'opérateur adéquate (à faire) que cette <!-------------------
densité volumique $`\dens_{énergie-EM}^{3D}`$ *possède deux composantes* : @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
* une *composante électrique $`\;\dens_{énergie-EM}^{3D}=\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}`$* ##### L'expression de la densité volumique d'énergie électromagnétique est-elle contenue dans les équation de Maxwell ?
* une *composante magnétique $`\;\dens_{énergie-EM}^{3D}=\dfrac{B^2}{2 \mu_0}`$*. --------------------->
* Pars de l'indentité mathématique
<br>
$`\mathbf{div\,\big(\overrightarrow{U}\land\overrightarrow{V}\big)=
\overrightarrow{V}\cdot\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{U}\big)\,-\,\overrightarrow{U}\cdot\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{V}\big)}`$
<br>
et applique-là au champ électromagnétique $`\big(\overrightarrow{E}\,,\overrightarrow{B})`$ en posant $`\overrightarrow{U}=\overrightarrow{E}`$
et $`\overrightarrow{V}=\overrightarrow{B}`$
<br>
**$`\mathbf{div\,\big(\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}\big)=\overrightarrow{B}\cdot\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E}\big)\,-\,\overrightarrow{E}\cdot\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}\big)}`$**
<br>
$`\color{blue}{\scriptsize{
\text{Identifie les termes } \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \text{ et } \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}}}`$
$`\color{blue}{\scriptsize{\text{ à leurs causes avec respectivement}}}`$
$`\color{blue}{\scriptsize{\text{les équations de Maxwell-Faraday et Maxwell Ampère}}}`$
<br>
$`\begin{align}div\,\big(\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}\big)
=&\overrightarrow{B}\cdot
\big(
\underbrace{\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E}}
_{\color{blue}{=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}}}\big)\,\\
&\quad-\,\overrightarrow{E}\cdot\big(\underbrace{\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}}_{\color{blue}{=\mu_0\,\vec{j}+\mu_0\epsilon_0\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}
}}\big)\end{align}`$
<br>
$`div\,\big(\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}\big)`$
$`\quad=-\,\mu_0\,\vec{j}\cdot\overrightarrow{E}\,-\,\mu_0\,\epsilon_0\dfrac{\partial \vec{E}}{\partial t}\cdot\overrightarrow{E}
\,
-\,\overrightarrow{B}\cdot \dfrac{\partial \vec{B}}{\partial t}\big)
`$
<br>
$`\color{blue}{\scriptsize{
\text{Souviens-toi que } \vec{u}\dfrac{\partial \vec{u}}{\partial t}=\dfrac{1}{2}\,\dfrac{\partial (\vec{u}\cdot\vec{u})}{\partial t}=\dfrac{1}{2}\,\dfrac{\partial u^2}{\partial t}}}`$
<br>
$`div\,\big(\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}\big)`$
$`\quad =-\,\mu_0\,\vec{j}\cdot\overrightarrow{E}\,-\,\dfrac{\mu_0\,\epsilon_0}{2}\,\dfrac{\partial E^2}{\partial t}
\,
-\,\dfrac{1}{2}\,\dfrac{\partial B^2}{\partial t}
`$
<br>
$`\color{blue}{\scriptsize{\text{La reconnaissance du terme d'effet Joule }\vec{j}\cdot\vec{E}=\dfrac{d\mathcal{P}_{cédée}}{d\tau}}}`$
$`\color{blue}{\scriptsize{\text{incite à diviser chaque membre de l'équation par }\mu_0 }}`$
<!-- $`\color{blue}{\scriptsize{\text{afin que chaque membre soit homogène à une puissance par unité de volume :}}}`$-->
<br>
$`
div\,\left(\dfrac{\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}}{\mu_0}\right)`$
$`\quad = -\,\underbrace{
\vec{j}\cdot\overrightarrow{E}
}_{
\color{blue}{=\frac{d\mathcal{P}_{cédée}}{d\tau}}
}
\,-\,\dfrac{\epsilon_0}{2}\,\dfrac{\partial E^2}{\partial t}
\,
-\,\dfrac{1}{2\,\mu_0}\,\dfrac{\partial B^2}{\partial t}
`$
<br>
$`\color{blue}{\scriptsize{\text{que tu peux réécrire :}}}`$
<br>
**$`\mathbf{
div\,\left(\dfrac{\overrightarrow{E}\land\overrightarrow{B}}{\mu_0}\right)}`$
$`\mathbf{\quad = -\,\vec{j}\cdot\overrightarrow{E}
\,-\,\dfrac{\partial}{\partial t}\,\left(
\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}\,+\,\dfrac{B^2}{2\,\mu_0}
\right)
}`$**
* Ainsi, en tout point de l'espace :
* Ainsi apparaît la **densité volumique d'énergie électromagnétique** d'*unité SI : $`J\,m^{-3}`$* :
<br> <br>
**$`\large{\mathbf{\dens_{énergie-EM}^{3D}=\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}+\dfrac{B^2}{2 \mu_0}}}`$** **$`\large{\mathbf{\dens_{énergie-EM}^{3D}=\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}+\dfrac{B^2}{2 \mu_0}}}`$**
* Cette
densité volumique $`\dens_{énergie-EM}^{3D}`$ *possède deux composantes* :
* une *composante électrique* **$`\;\dens_{élec}^{3D}=\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}`$**
* une *composante magnétique* **$`\;\dens_{magn}^{3D}=\dfrac{B^2}{2 \mu_0}`$**.
* L'énergie électromagnétique $`\mathcal{E}_{EM}`$ contenue **dans un volume $`\tau`$** s'exprime : * L'énergie électromagnétique $`\mathcal{E}_{EM}`$ contenue **dans un volume $`\tau`$** s'exprime :
<br> <br>
**$`\displaystyle\large{\mathbf{\mathcal{E}_{EM}=\iiint_{\Ltau} \left(\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}+\dfrac{B^2}{2 \mu_0}\right) d\tau}}`$** **$`\displaystyle\large{\mathbf{\mathcal{E}_{EM}=\iiint_{\Ltau} \left(\dfrac{\epsilon_0\,E^2}{2}+\dfrac{B^2}{2 \mu_0}\right) d\tau}}`$**
...@@ -702,7 +761,7 @@ $`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right ...@@ -702,7 +761,7 @@ $`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right
-\dfrac{\partial}{\partial t} \,\left(\mu_0\;\overrightarrow{j} + -\dfrac{\partial}{\partial t} \,\left(\mu_0\;\overrightarrow{j} +
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\right)`$ \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\right)`$
<br><br> <br><br>
*$`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)=-\mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} +\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$* *$`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)=-\mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} - \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$*
<br><br> <br><br>
* *$`\overrightarrow{grad} \left( div \; \overrightarrow{E} \right) = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\dens}{\epsilon_O} \right)`$* * *$`\overrightarrow{grad} \left( div \; \overrightarrow{E} \right) = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\dens}{\epsilon_O} \right)`$*
...@@ -718,7 +777,7 @@ $`\Delta \;\overrightarrow{E} = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\dens}{\epsil ...@@ -718,7 +777,7 @@ $`\Delta \;\overrightarrow{E} = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\dens}{\epsil
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$ \mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$
<br> <br>
ce qui donne par identification au premier terme de l'équation d'onde : ce qui donne par identification au premier terme de l'équation d'onde :
<br>
**$`\mathbf{\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \dfrac{1}{\epsilon_O} \; **$`\mathbf{\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \dfrac{1}{\epsilon_O} \;
\overrightarrow{grad}\left(\dens \right)+ \mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t}}`$** \overrightarrow{grad}\left(\dens \right)+ \mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t}}`$**
<br> <br>
...@@ -758,9 +817,9 @@ et fait l'objet de tout un **développement dans un chapitre ultérieur**. ...@@ -758,9 +817,9 @@ et fait l'objet de tout un **développement dans un chapitre ultérieur**.
* Dès lors, la propagation de l'onde électromagnétique dans le vide s'exprime sous la forme * Dès lors, la propagation de l'onde électromagnétique dans le vide s'exprime sous la forme
du système de **deux équations de d'Alembert** : du système de **deux équations de d'Alembert** :
<br> <br>
**$`\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}`$** **$`\large{\boldsymbol{\mathbf{\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}}}}`$**
<br> <br>
**$`\Delta \;\overrightarrow{B}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}`$** **$`\large{\boldsymbol{\mathbf{\Delta \;\overrightarrow{B}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}{\partial t^2} = \overrightarrow{0}}}}`$**
!!!! *Attention* : !!!! *Attention* :
!!!! !!!!
...@@ -889,24 +948,25 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti ...@@ -889,24 +948,25 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti
! *Remarque 1* : ! *Remarque 1* :
! !
! Le déplacement d'une charge $`(unité SI : C)`$ contenue dans un volume élémentaire ! Le déplacement d'une charge (d'unité $`SI : C)`$ contenue dans un volume élémentaire
! $`d\tau\quad (SI : ! m^3)`$ de densité volumique de ! $`d\tau\quad (SI : m^3)`$ de densité volumique de
! charge $`\dens_{charge}^{3D}\quad (SI : C\,m^{-3})`$ à une vitesse ! charge $`\dens_{charge}^{3D}\quad (SI : C\,m^{-3})`$ à une vitesse
! $`\overrightarrow{\mathscr{v}_d}\quad (SI : m\,s^1)`$ : ! $`\overrightarrow{\mathscr{v}_d}\quad (SI : m\,s^{-1})`$ :
! * permet de définir un vecteur densité de courant (électrique) volumique ! * permet de définir un vecteur densité de courant (électrique) volumique
! $`\overrightarrow{j}_{courant}^{3D}=\dens_{charge}^{3D}\,\mathscr{v}_d\,,\quad (SI : A\,m^{-2})`$, ! $`\overrightarrow{j}_{courant}^{3D}=\dens_{charge}^{3D}\,\mathscr{v}_d\,`$
! * et ainsi permet de calculer l'intensité élémentaire $`dI\quad (SI : A = C\,s-{-1})`$ du courant qui traverse ! $`\quad (SI : A\,m^{-2})`$,
! * et ainsi permet de calculer l'intensité élémentaire $`dI\quad (SI : A = C\,s^{-1})`$ du courant qui traverse
! tout élément de surface ! tout élément de surface
! $`\overrightarrow{dS}\quad (SI : m^2)`$, ! $`\overrightarrow{dS}\quad (SI : m^2)`$,
! $`dI= \overrightarrow{j}_{courant}^{3D}\cdot\overrightarrow{dS}`$, ! $`dI= \overrightarrow{j}_{courant}^{3D}\cdot\overrightarrow{dS}`$
! !
! de même, ! de même,
! !
! le déplacement de l'énergie $`(unité SI : J)`$ de l'onde électromagnétique contenue ! le déplacement de l'énergie (d'unité $`SI : J)`$ de l'onde électromagnétique contenue
! dans un volume élémentaire $`d\tau\quad (SI : ! m^3)`$ de densité volumique d'énergie ! dans un volume élémentaire $`d\tau\quad (SI : m^3)`$ de densité volumique d'énergie
! $`\dens_{énergie_EM}^{3D}`$ à la célérité $`c`$ : ! $`\dens_{énergie_EM}^{3D}\quad (SI : J\,m^{-3})`$ à la célérité $`c\quad (SI : m\,s^{-1})`$ :
! * permet de définir l'équivalent d'un vecteur densité de puissance de l'onde électromagnétique ! * permet de définir l'équivalent d'un vecteur densité de puissance de l'onde électromagnétique
! , appelé *vecteur de Poynting* et noté *$`\overrightarrow{\Pi}\quad (SI : J\,s^{-1}\, m^{-2}=W\, m^{-2}=`$, ! , appelé *vecteur de Poynting* et noté $`\overrightarrow{\Pi}\quad (SI : J\,s^{-1}\, m^{-2}=W\, m^{-2})`$,
! * ce qui permet de calculer la puissance élémentaire $`d\mathcal{P}\quad (SI : W)`$ de l'onde EM qui traverse tout élément de surface ! * ce qui permet de calculer la puissance élémentaire $`d\mathcal{P}\quad (SI : W)`$ de l'onde EM qui traverse tout élément de surface
! $`\overrightarrow{dS}`$, ! $`\overrightarrow{dS}`$,
! $`d\mathcal{P}= \overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}`$. ! $`d\mathcal{P}= \overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}`$.
...@@ -923,7 +983,7 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti ...@@ -923,7 +983,7 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti
! que par le champ d'excitation magnétique $`\overrightarrow{H}`$. ! que par le champ d'excitation magnétique $`\overrightarrow{H}`$.
! Ces deux champs sont proportionnels, le rapport de proportionnalité étant la constante magnétique $`\mu_0`$ : ! Ces deux champs sont proportionnels, le rapport de proportionnalité étant la constante magnétique $`\mu_0`$ :
! <br> ! <br>
! $`\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{B}\quad\text{(dans le vide)}`$ ! $`\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{H}\quad\text{(dans le vide)}`$
! !
! L'expression dans le vide du vecteur de Poynting est alors : ! L'expression dans le vide du vecteur de Poynting est alors :
! <br> ! <br>
...@@ -949,9 +1009,40 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti ...@@ -949,9 +1009,40 @@ où $`d\mathcal{P}`$ est la *puissance élémentaire* de l'onde électromagnéti
#### Comment calculer le puissance traversée par une surface d'aire et d'orientation quelconque ? #### Comment calculer le puissance traversée par une surface d'aire et d'orientation quelconque ?
* Elle se calcule simplement par l'expression : * La **puissance** se calcule simplement par l'expression :
<br> <br>
**$`\displaystyle\large{\mathbf{\mathcal{P}=\iint_S \overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}}}`$** **$`\displaystyle\mathcal{P}=\iint_S \overrightarrow{\Pi}\cdot\overrightarrow{dS}`$**
* Soit une **onde électromagnétique monochromatique** de période temporelle $`\mathbf{T_{onde}}`$.
* **$`\mathbf{T_{onde}}`$** est la *période temporelle de $`\overrightarrow{E}`$*, champ électrique de l'onde.
* L'énergie électrique étant proportionnelle à $`E^2`$, <br>
la *période des variations énergétiques* de l'onde est **$`\mathbf{T_{énergie}}`$** *$`\mathbf{\,=\dfrac{T_{onde}}{2}}`$*
* Tout **capteur** est caractérisé par un **temps de réponse $`\mathbf{\Delta t_{réponse}}`$** qui quantifie sa *rapidité*.
<br>
Soit un capteur sensible à l'énergie électromégnétique :
* Si *$`\mathbf{\Delta t_{réponse}\ll T_{énerg.}}`$* alors le capteur est sensible à la *puissance instantanée* :
<br>
*$`\displaystyle\large{\mathbf{\mathcal{P}(t)=\iint_S \overrightarrow{\Pi}(t)\cdot\overrightarrow{dS}}}`$*
<br>
* Si **$`\mathbf{\Delta t_{réponse}\gg T_{énerg.}}`$** alors le capteur ne peut suivre les variations temporelles de
la puissance instantanée, et ne mesure que la **valeur moyenne de la puissance** estimée sur $`\Delta t_{réponse}`$ :
<br>
**$`\displaystyle\large{\mathbf{<\mathcal{P}(t)>\;=\iint_S <\overrightarrow{\Pi}(t)>\cdot\overrightarrow{dS}}}`$**
!!! *Exemple :*
!!!
!!! Le *domaine visible* correspond à :
!!! * une *longueur d'onde* dans le vide de l'ordre de 500 nanomètres : *$`\mathbf{\lambda = 5\cdot 10^{-7}\,m}`$* <br>
!!! <br>
!!! Cela correspond à une période temporelle du champ électrique $`T_{onde}`$ de :<br>
!!! $`T_{onde}=\dfrac{\lambda}{c}=\dfrac{5\cdot 10^{-7}}{3\cdot 10^{8}} = 1.7\times 10^{-15}\,s`$,<br>
!!! soit<br>
!!! $`T_{énerg.}=8.5\times 10^{-16}\,s`$<br>
!!! <br>
!!! Dans les deux cas, l'ordre de grandeur de la *période* est de $`\mathbf{T\approx 10^{-15}\,s}`$*.
!!!
!!! Aucun capteur n'arrive à suivre les variations instantanées de puissance de la lumière visible.
#### Comment émettre une onde électromagnétique ? #### Comment émettre une onde électromagnétique ?
......
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