Chap.1 – Equations de Maxwell - Physique PSI Moreggia Sylvain
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Chap.1 – Equations de Maxwell 1. 2. Charge et courant électrique 1.1. Le courant électrique : un débit de charge électrique 1.2. Vecteur densité de courant électrique 1.3. Equation locale de conservation de la charge Equations de Maxwell 2.1. Equations locales 2.2. Forme intégrale 2.3. Compatibilité avec la loi de conservation de la charge 3. Relations de passage du champ EMic à la traversée d’une surface 4. Energie électromagnétique : une nouvelle forme d’énergie 4.1. Equation locale de conservation de l’énergie en présence d’un champ EMic 4.2. Force de Lorentz (rappel) Intro : Les équations Maxwell sont postulées et constituent les principes fondamentaux de l’électromagnétisme. Ce domaine de la physique est particulièrement vaste, puisqu’il est impliqué dans un grand nombre de phénomène (liste non exhaustive) : lumière (visible et invisible), ondes radio, micro-ondes, cohésion de la matière, interaction entre molécules, etc… Tout ce qui n’est pas nucléaire ou gravitationnel est électromagnétique ! Le cours de sup n’était qu’une introduction à cette théorie, et tous les résultats déjà vus sont déductibles des lois que l’on va énoncer dans ce chapitre (admis). 1. Charge et courant électrique Sauf indication contraire, par défaut, les modélisations de charges et de courants sont volumiques. Les autres modélisations continues (linéique, surfacique) sont des approximations qui permettent parfois de simplifier les raisonnements. 1.1. Le courant électrique : un débit de charge électrique En mécanique des fluides, rappeler les définitions des débits volumique et massique. Définition de l’intensité électrique L’intensité électrique est la charge électrique qui traverse une surface donnée par unité de temps ( ): Si la surface est orientée, l’intensité électrique est une grandeur algébrique. Son signe renseigne alors sur le sens de l’écoulement de la charge électrique. 1 Moreggia PSI 2012/2013 1.2. Vecteur densité de courant électrique (Rappel) En physique, un débit peut toujours être écrit comme étant le flux d’un certain vecteur. Ce vecteur s’appelle densité de courant, et est noté . Il est défini par l’écriture suivante : Ecrire la définition du vecteur densité de courant électrique. On considère un courant électrique s’écoulant dans un fil de cuivre. Par analogie avec le débit massique en mécanique des fluides, et en considérant le courant électrique comme un écoulement de charge, donner l’expression du vecteur en fonction de la charge volumique, et du vecteur vitesse de l’écoulement. Généraliser cette expression dans le cas où « plusieurs fluides électriques » s’écoulent dans le fil (i.e. plusieurs porteurs de charge circulent) Si l’on veut faire le lien entre la modélisation volumique de la distribution de charges, et la modélisation corpusculaire, on peut retenir que : où est le nombre de porteurs par unité de volume où q est la charge des porteurs (un seul type de porteurs ici) où est la vitesse moyenne, la vitesse d’enseemble, la vitesse de dérive des porteurs de charges. 1.3. Equation locale de conservation de la charge La charge électrique est une grandeur qui se conserve. C’est un postulat de la physique. Elle est aussi invariante par changement de référentiel. Par analogie avec l’équation locale de conservation de la masse, donne celle de la conservation de la charge. Donner son équivalent intégral en vous appuyant sur un schéma. 2. Equations de Maxwell Ces équations sont postulées, et sont les principes de base de l’électromagnétisme. Elles sont valables en régime variable, i.e. lorsque les champs et et les sources et dépendent aussi du temps (contrairement au cas « statique » vu en première année). Elles permettent notamment de déduire tous les résultats vus en première année en électrostatique et magnétostatique. 2.1. Equations locales div E = 0 div B = 0 Maxwell - Gauss B rot E = t E rot B = 0 j + 0 0 t 2 Maxwell - flux Maxwell - Faraday Maxwell - Ampère Moreggia PSI 2012/2013 Les constantes 0 et µ0 sont liées au système d'unités ; dans le système MKSA : 0 est la permittivité du vide ; 0 = 8,854.10-12 F.m-1 ; µ0 est perméabilité magnétique du vide ; µ0 = = 1,2566.10-6 H.m-1 Remarque : Les champs et vérifient des équations différentielles couplées. Ils ne peuvent pas être étudiés indépendamment l’un de l’autre. C’est pourquoi l’on parle de champ électromagnétique , les champs électrique et magnétique étant simplement deux facettes de cette entité. En physique moderne, on décrit même ce champ par une seule entité : le tenseur électromagnétique. Remarque : Ces équations sont linéaires, on peut donc appliquer le principe de superposition aux champs électrique et magnétique. Remarque : Une propriété générale d’analyse vectorielle nous dit que lorsque le rotationnel et la divergence d’un champ sont connus, alors le champ peut être déterminer complètement si l’on se donne des conditions initiales et des conditions aux limites. Remarque : Comme toutes les équations différentielles, elles donnent l’évolution des champs dans l’espace et dans le temps. Si initialement il n’y a pas de champ, alors les termes et apparaissent bien comme les sources du champ électromagnétique. Si un champ préexistant rencontre des charges et des courants, il est alors simplement modifié, pas véritablement « créé » (exemple : diffusion de la lumière par les molécules de l’air, une partie de l’onde électromagnétique incidente « rebondit » sur les molécules d’air). 2.2. Forme intégrale Q int 0 E. dS = B. dS e = - 0 d dt B . dl 0 i + jD . dS 2.3. Compatibilité avec la loi de conservation de la charge A partir de l’équation de Maxwell-Ampère, démontrer l’équation de conservation de la charge. 3. Relations de passage du champ EMic à la traversée d’une surface On considère une surface chargée et parcourue par un courant. Les limites du champ « à droite et à gauche » (ou « en-dessus et en-dessous ») de la surface (notées sont pas égales : le champ électrique est discontinu à la traversée d’une surface chargée. et ) ne Les limites du champ « à droite et à gauche » (ou « en-dessus et en-dessous ») de la surface (notées et ) ne sont pas égales : le champ magnétique est discontinu à la traversée d’une nappe de courant surfacique. 3 Moreggia PSI 2012/2013 E 2 E1 n12 0 B2 B1 µ0 js n12 La composante tangentielle du champ est toujours une fonction continue de l’espace. La composante normale du champ est toujours une fonction continue de l’espace. 4. Energie électromagnétique : une nouvelle forme d’énergie 4.1. Equation locale de conservation de l’énergie en présence d’un champ EMic Dans le vide : div 0 t est l’énergie stockée par le champ électromagnétique par unité de volume est le vecteur de Poynting, c’est le vecteur densité de courant d’énergie . Il représente le débit d’énergie (par unité de surface) transportée par l’onde électromagnétique hors du volume élémentaire considéré Dans un milieu conducteur, i.e.en présence de porteurs de charge : div j .E 0 t est la puissance reçue par les porteurs de charge par unité de volume , et fournie par le champ électromagnétique. Cette puissance étant intégralement dissipée par « frottement » sur le réseau de cations (fil de cuivre par exemple), c’est aussi la puissance volumique dissipée par effet Joule. Cette équation locale de conservation de l’énergie en présence d’un champ électromagnétique s’appelle aussi « équation locale de Poynting ». Avec des mots, elle signifie que toute l’énergie perdue par le champ présent dans un volume a été : - soit transférée aux porteurs de charge présents dans ce volume, - soit emportée par le champ qui a traversé la surface délimitant ce volume (notion d’onde électromagnétique derrière cette idée de « mouvement » / de propagation du champ électromagnétique) 4.2. Force de Lorentz (rappel) Donner l’expression de la force subie par une particule chargée, placée dans un champ électromagnétique En se plaçant dans un conducteur contenant un seul type de porteurs de charge, évaluer la puissance fournie par le champ aux porteurs de charge contenus dans un volume élémentaire, et démontrer l’expression de la puissance volumique dissipée par effet Joule, admise au paragraphe précédent. 4 Moreggia PSI 2012/2013
