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Pipeline #12861 canceled with stage
......@@ -13,12 +13,16 @@ lessons:
name: "LINÉAIRE : Propagation des ondes EM dans le vide"
order: 1
---
<!--non, je n'oublie pas que l'enseignement sera sur 4 niveau, et qu'il s'adressera
à tous dans un niveau de base, et qu'ils pourront progresser dans les matières de leurs
choix dans les niveaux supérieurs. Mais là, je dois aller au plus urgent.
De toute façon, tout ce que je fais (cours comme structuration du cursus va être remanier dans les équipes, et avec nos partenaires
latino-américains. Mais au moins on ne partira pas de rien, équations, exemples de figures,
seront là pour être utilisés, ou remaniés et modifiés. -->
<!--caligraphie de l'intégrale double curviligne-->
$`\def\dens{\large{\varrho}\normalsize}`$
$`\def\oiint{\displaystyle\mathop{{\iint}\mkern-18mu \scriptsize \bigcirc}}`$
$`\def\Ltau{\Large{\tau}\normalsize}`$
$`\def\Sopen{\mathscr{S}_{\smile}}`$
$`\def\Sclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
$`\def\Ssclosed{\mathscr{S}_{\scriptsize\bigcirc}}`$
$`\def\PSopen{\mathscr{S}_{\smile}}`$
$`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
!!!! <details>
!!!! <summary> Cours en construction, non validé à ce stade </summary>
......@@ -27,121 +31,41 @@ seront là pour être utilisés, ou remaniés et modifiés. -->
!!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques.
!!!! </details>
<!--MétaDonnée : ... -->
Attention !!! En période très préliminaire d'élaboration et de construction !
##### Randonnée montagne :&nbsp; _physique_
---------------------------
### Propagation du champ électromagnétique dans le vide.
#### Equations de Maxwell
Tout point M de l'espace peut être repéré par son vecteur position $`\overrightarrow{r}=\overrightarrow{OM}`$, O étant un point fixe de l'espace pris comme origine. Tout instant peut être daté dans le temps par un nombre réel t, par rapport à une date (t=0) prise comme origine des temps.
Les équations de Maxwell locales précisent les propriétés du champ électromagnétique
$`[\overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t), \overrightarrow{B}(\overrightarrow{r},t)]`$ créé en tout point M de l'espace et à tout instant t par une distribution continue de charge et de courant $`[\rho(\overrightarrow{r},t), \overrightarrow{j}(\overrightarrow{r},t)]`$.
Les 4 équations de Maxwell sont :
* $`div \overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t) = \dfrac{\rho(\overrightarrow{r},t)}{\epsilon_0}`$
* $`\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t) = -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}(\overrightarrow{r},t)}{\partial t}`$
* $`div \overrightarrow{B}(\overrightarrow{r},t) = 0`$
* $`\overrightarrow{rot} \;\overrightarrow{B}(\overrightarrow{r},t) = \mu_0\;\overrightarrow{j}(\overrightarrow{r},t) +
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t)}{\partial t}`$
#### Rappel sur le phénomène de propagation dans l'espace et le temps
Soit une grandeur physique (scalaire ou vectorielle) représentée par un fonction continue de l'espace et du temps (donc un champ scalaire ou un champ vectoriel dépendant du temps).
Un grandeur physique se propage librement dans l'espace et le temps si aucun phénomène physique localisé dans l'espace et le temps ne vient atténuer ou amplifier, dévier ou disperser sa propagation.
Le phénomène de propagation d'une grandeur physique qui se déplace librement à travers l'espace et le temps, est décrit mathématiquement par l'équation d'onde simple.
L'équation d'onde simple permet de calculer la valeur de la grandeur physique en tout point M de l'espace et à tout instant t.
##### équation d'onde simple
Pour un champ scalaire $`f(\overrightarrow{r},t)`$, l'équation d'onde simple est :
$`\Delta f(\overrightarrow{r},t) - \dfrac{1}{v^2} \; \dfrac{\partial^2 \;f(\overrightarrow{r},t)}{\partial\; t^2}=0`$
### Propagation des ondes électromagnétiques dans le vide
<!--$`\Delta \overrightarrow{X} - \dfrac{1}{v_{\phi}^2} \; \dfrac{\partial^2 \;\overrightarrow{X}}{\partial\; t^2}=0`$-->
La solution générale s'écrit :
#### Les équations de propagation du champ électromagnétique
$`f(\overrightarrow{r},t)=\sum_i f_i(\overrightarrow{u_i}.\overrightarrow{r}-v.t)`$
Des quatre équations de Maxwell se déduisent les équations suivantes, vérifiées en tout point de l'espace et à tout instant :
Elle décrit une superposition d'ondes $`f_i`$ qui se déplacent dans les directions en sens représentées par
les vecteurs unitaires $`\overrightarrow{u_i}`$ à la même vitesse $`v`$ (l'espace vide étant homogène et isotrope).
**Pour un champ vectoriel** $`\overrightarrow{r}(\overrightarrow{r},t)`$, l'équation d'onde simple est :
$`\Delta \overrightarrow{X} - \dfrac{1}{v^2} \; \dfrac{\partial^2 \;\overrightarrow{X}}{\partial\; t^2}=0`$
L'expression de l'opérateur Laplacien vectoriel $`\Delta`$ en fonction des opérateurs $`grad`$, $`div`$ et $`rot`$ est :
$`\Delta =\overrightarrow{grad} \left(div\right) - \overrightarrow{rot}\, \left(\overrightarrow{rot}\right)`$
#### Equation d'onde pour le champ électromagnétique
L'idée est de calculer pour chacun des champs $`\overrightarrow{E}`$ et $`\overrightarrow{E}`$
l'expression de son Laplacien, pour voir si une identification avec l'équation d'onde est
réalisée.
Pour établir l'expression $`\;\;\Delta \overrightarrow{E}\;\;`$, je calcule
$`\;\;\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{E}\right)\;\;`$ puis
$`\;\;\overrightarrow{grad} \left(div \overrightarrow{E}\right)\;\;`$ à partir des équations
de Maxwell :
* $`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)=
\overrightarrow{rot} \,\left( -\dfrac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\right)`$
<br><br>
En physique classique non relativiste, espace et temps sont découplés. Les coordonnées spatiales
et la coordonnée temporelle sont indépendantes. L'ordre de dérivation ou intégration entre
des coordonnées spatiales et la coordonnés temporelle ne change pas le résultat, donc
je peux écrire :
<br><br>
$`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)=
-\dfrac{\partial}{\partial t} \,\left(\overrightarrow{rot}\overrightarrow{B}\right)`$
<br><br>
$`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)=
-\dfrac{\partial}{\partial t} \,\left(\mu_0\;\overrightarrow{j} +
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\right)`$
<br><br>
$`\overrightarrow{rot} \, \left( \overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{E} \right)
=-\mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} +
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$
<br><br>
$`\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \dfrac{1}{\epsilon_O} \;
\overrightarrow{grad}\left(\rho \right)+ \mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} `$
* $`\overrightarrow{grad} \left( div \; \overrightarrow{E} \right) = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\rho}{\epsilon_O} \right)`$
$`\Delta \overrightarrow{B}-\mu_0\epsilon_0\;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}
{\partial t^2}=-\mu_0\;\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{j}`$
La reconstruction de
$`\Delta \;\overrightarrow{E} =\overrightarrow{grad} \left(div\;\overrightarrow{E}\right) - \overrightarrow{rot}\, \left(\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{E}\right)`$
donne :
Dans un milieu matériel caractérisé par des champs non nuls de densité volumique de charge
$`\dens(\overrightarrow{r},t)`$ et de vecteur densité volumique de courant $`\overrightarrow{j}(\overrightarrow{r},t)`$
se produit une interaction réciproque permanente entre le champ électromagnétique
$`\big(\overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t)\,,\overrightarrow{E}(\overrightarrow{r},t)\big)`$
et ces charges et courants. Ces équations de propagation du champ électromagnétique dans la matière n'ont pas la
simple forme de l'équation de d'Alembert, et leur étude plus complexe fait l'objet d'un
chapitre spécifique.
$`\Delta \;\overrightarrow{E} = \overrightarrow{grad}\left( \dfrac{\rho}{\epsilon_O} \right) + \mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} +
\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2}`$
Dans le vide la situation est beaucoup plus simple. En effet le vide peut être considéré comme un milieu
homogène et isotrope caractérisé par $`\dens(\overrightarrow{r},t)=0`$ et
$`\overrightarrow{j}(\overrightarrow{r},t)=\overrightarrow{0}`$
ce qui donne par identification au premier terme de l'équation d'onde :
$`\Delta \;\overrightarrow{E}-\mu_0 \epsilon_0 \;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{E}}{\partial t^2} = \dfrac{1}{\epsilon_O} \;
\overrightarrow{grad}\left(\rho \right)+ \mu_0\;\dfrac{\partial \overrightarrow{j}}{\partial t} `$
Une étude de forme identique (proposée en autotest dans la partie beyond) me conduirait
pour le champ magnétique $`\overrightarrow{B}`$ à l'équation de propagation :
$`\Delta \overrightarrow{B}-\epsilon_0\mu_0\;\dfrac{\partial^2 \overrightarrow{B}}
{\partial t^2}=-\mu_0\;\overrightarrow{rot}\;\overrightarrow{j}`$
#### Propagation du champ électromagnétique dans le vide
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