Solution-TD1 Ondes et propagation

Telechargé par abdouzg541
Onde et propagation3ième Licence Télécom (U BBA) Par Mme N.Lakhlef 1
Corriger de la Série 1 : Chapitre 1 : Équations de Maxwell
Exercice1
Que représente 𝖨𝖨u
⃗
v
⃗
𝖨𝖨 ?
On appelle produit vectoriel des vecteurs 𝐮
⃗
𝐞𝐭 𝐯
⃗
:u
⃗
v
⃗
= 𝖨𝖨u
⃗
𝖨𝖨.𝖨𝖨 v
⃗
𝖨𝖨sinθ, θ est l’angle
entre u
et v
⃗
u
v
⃗
= 𝖨𝖨u
⃗
𝖨𝖨.𝖨𝖨 v
⃗
𝖨𝖨sinθ= u
⃗
v
⃗
= h.𝖨𝖨 v
⃗
𝖨𝖨 (𝖨𝖨u
⃗
𝖨𝖨.sinθ=h) représente la surface Le
parallélogramme constitué par les deux vecteursu
⃗
et v
⃗
Exercice2
Que représentew
⃗
( u
⃗
v
⃗
) ?
w
⃗
( u
v
⃗
)=
u
v
⃗
=n
⃗
‖n
⃗
‖=𝑠, s est la surface Le parallélogramme constitué par les deux vecteursu
⃗
et v
⃗
w
⃗
( u
v
⃗
)= w
⃗
.n
⃗
= ‖w
⃗
‖.‖n
⃗
‖cos=h.‖n
⃗
‖=h.s qui présente le volume de parallélépipède constitué
par w
⃗
,u
⃗
et v
⃗
Exercice3
Calculer le rotationnel du champ newtonienE
⃗
=
e
⃗
𝐫𝐨𝐭
⃗
𝐀
⃗
=(𝐮
⃗
𝐫𝛛
𝛛𝐫+𝐮
⃗
𝛗𝟏
𝐫𝛛
𝛛𝛗+𝟏
𝐫𝐬𝐢𝐧𝐬𝛗𝛛
𝛛𝛉)(𝐀𝐫𝐮
⃗
𝐫+𝐀𝛉𝐮
⃗
𝛉+𝐀𝛗𝐮
⃗
𝛗)
𝐫𝐨𝐭
⃗
𝐄
⃗
=𝐞
⃗
𝐫𝛛
𝛛𝐫+𝐞
⃗
𝛗𝟏
𝐫𝛛
𝛛𝛗+𝐞
⃗
𝛉𝟏
𝐫𝐬𝐢𝐧𝐬𝛗𝛛
𝛛𝛉E
⃗
=k
re
⃗
=𝐮
⃗
𝐫𝛛
𝛛𝐫E
⃗
=k
re
⃗
=0
⃗
=
𝐞
⃗
𝐫 𝐞
⃗
𝛗 𝐞
⃗
𝛉
𝝏
𝝏𝒓 𝟏
𝒓𝝏
𝝏𝝋 𝟏
𝒓𝒔𝒊𝒏𝒔𝝋𝝏
𝝏𝜽
𝒌
𝒓𝟐 𝟎 𝟎
=0
⃗
Ou bien on utilise les coordonnées cartésiennes (𝑟=𝑥+𝑦+𝑧)
Exercice4
Démonter que rot
⃗
grad
⃗
U=0
⃗
et div rot
⃗
E
⃗
=0
v
⃗
u
⃗
h
u
⃗
v
⃗
h
𝑤
⃗
n
⃗
Série 1 : Chapitre 1 : Équations de Maxwell
Onde et propagation3ième Licence Télécom (U BBA) Par Mme N.Lakjlef 2
rot
⃗
grad
⃗
U=
Soit U fonction scalaire en fonction de x, y et z
En coordonnées cartésiennes : grad
⃗
U=∇
⃗
U=dU
dxı⃗+dU
dyȷ
⃗
+dU
dzk
⃗
rot
⃗
grad
⃗
U=∇
⃗
∇
⃗
U=rot
⃗
V
⃗
=
ı⃗ ȷ
⃗
k
⃗
d
dx d
dy d
dz
dU
dx dU
dy d∂U
dz
=ı⃗ d
dzdU
dy− d
dydU
dz− ȷ⃗ d
dxdU
dz− d
dzdU
dx+k
⃗
d
dxdU
dy− d
dzdU
dy
=ı⃗ dU
dzdy−dU
dydz − ȷ⃗ dU
dxdz−dU
dzdx+k
⃗
dU
dxdy−dU
dzdy=ı⃗ 0 − ȷ⃗ 0 + k
⃗
0=0
⃗
div rot
⃗
E
⃗
=
rot
⃗
E
⃗
=
ı⃗ ȷ
⃗
k
⃗
d
dx d
dy d
dz
EE E
=ı⃗ d
dyE− d
dzE − ȷ⃗ d
dxE− d
dzE+k
⃗
d
dxE− d
dyE
div rot
⃗
E
⃗
=∇
⃗
ı⃗ d
dyE− d
dzE − ȷ⃗ d
dxE− d
dzE+k
⃗
d
dxE− d
dyE
=d
dx d
dyE− d
dzE−d
dy d
dxE− d
dzE+d
dz d
dxE− d
dyE
=d
dx d
dyE−d
dx d
dyE − d
dy d
dxE−d
dy d
dzE + d
dz d
dxE−d
dz d
dyE
=d
dx d
dyE−d
dy d
dxE−d
dx d
dyE− −d
dy d
dzE − −d
dz d
dzE−d
dz d
dyE
=0
Exercice5
Démonter les formules suivantes :div λE
⃗
=E
⃗
.grad
⃗
λ+λdivE
⃗
et div E
⃗
F
⃗
=F
⃗
.rot
⃗
E
⃗
−
E
⃗
.rot
⃗
F
⃗
div λE
⃗
=divEı⃗+Eȷ⃗ + Ek
⃗
=divEı⃗+Eȷ⃗ + Ek
⃗
=
E+
E +
E=
E+E
+
E + E
+
E + E
=
E+
E+
E+E
 +
E
 + E

div λE
⃗
=(d
dxE+d
dyE+d
dzE)+Ed
dx + Ed
dy + Ed
dz=λdivE
⃗
+E
⃗
.grad
⃗
λ
Série 1 : Chapitre 1 : Équations de Maxwell
Onde et propagation3ième Licence Télécom (U BBA) Par Mme N.Lakjlef 3
div E
⃗
F
⃗
=divı⃗ ȷ
⃗
k
⃗
EE E
FF F=divEF−EFı⃗ − (EF−EF)ȷ
⃗
+
EF−EFk
⃗
=
EF−EF−
(EF−EF)+
EF−E F=
(EF)−
(EF)−
(EF)−
(EF)+
(EF)−
(EF)=
F
E+E
F−F
E−E
F−F
E+E
F−F
E−E
F+
F
E+E
F−F
E−E
F=F
E−
E−F
E−
E+
F
E−
E−E
F−
F−E
F−
F+E
F−
F=
F
⃗
.rot
⃗
E
⃗
− E
⃗
.rot
⃗
F
⃗
Exercice6
Transformer les vecteurs suivants : u
⃗
=rot
⃗
(λ E
⃗
) ; v
⃗
=rot
⃗
(rot
⃗
E
⃗
)
Soit E
⃗
=Eı⃗+E ȷ
⃗
+ E k
⃗
rot
⃗
E
⃗
=d
dyE−d
dzEı
⃗
−d
dxE−d
dzEȷ
⃗
+d
dxE−d
dyEk
⃗
=d
dyE+E d
dy−d
dzE−E d
dzı
⃗
−d
dxE+E d
dx−d
dzE−E d
dzȷ
⃗
+d
dxE+E d
dx−d
dyE−E d
dyk
⃗
=d
dyE+E d
dy−d
dzE−E d
dzı
⃗
−d
dxE+E d
dx−d
dzE−E d
dzȷ
⃗
+d
dxE+E d
dx−d
dyE−E d
dyk
⃗
=d
dyE−d
dzEı
⃗
−d
dxE−d
dzEȷ
⃗
+d
dxE−d
dyEk
⃗
+E d
dy−E d
dzı
⃗
−E d
dx−E d
dzȷ
⃗
+E d
dx−E d
dyk
⃗
=d
dyE−d
dzEı
⃗
−d
dxE−d
dzEȷ
⃗
+d
dxE−d
dyEk
⃗
−E d
dz−E d
dyı
⃗
+E d
dz−E d
dxȷ
⃗
−E d
dy−E d
dxk
⃗
=rot
⃗
E
⃗
−E
⃗
grad
⃗
Série 1 : Chapitre 1 : Équations de Maxwell
Onde et propagation3ième Licence Télécom (U BBA) Par Mme N.Lakjlef 4
Exercice7
Soit w
⃗
un vecteur constant, et soit v
⃗
= w
⃗
OM
⃗
, Démontrer que w
⃗
=
rot
⃗
v
⃗
w
⃗
=wı⃗+wȷ
⃗
+ w k
⃗
et OM
⃗
=xı⃗+ yȷ
⃗
+ z k
⃗
v
⃗
=w
⃗
OM
⃗
=ı⃗ ȷ
⃗
k
⃗
ww w
x y z =(w z−wy)ı⃗ − (wz−wx)ȷ
⃗
+wy−wxk
⃗
rot
⃗
v
⃗
=
ı⃗ ȷ⃗ k
⃗
d
dx d
dy d
dz
(wz−w y) −(wz−wx) wy−wx
=
d
dywy−wx−− d
dz (wz−wx)ı⃗−d
dxwy−wx − d
dz(wz−wy)ȷ⃗
+d
dx−(wz−w x)−d
dy(wz−w y)k
⃗
=(w+w)ı⃗+w+wȷ⃗+(w+w)k
⃗
=2wı⃗+wȷ⃗+w k
⃗
=2w
⃗
Donc: w
⃗
=
⃗
Exercice8
Soit R > 0 et a > 0. Calculer l’intégrale de surface I=∬f(M)ds
où f(M) =f(x,y,z) =√z , et s
est la demi-sphère d’équation :x+y+ z=R,z≥0.
x+y+ z=R,z≥0. Equation d’une demi-sphère donc on préfère les coordonnées sphériques
f(x,y,z)=√z=√rcos
x+y+ z=R,z≥0. : r=R, 0 /2 et 0 2
I= f(M)ds
=√rcosds
=r
(cosθ)/ds

dS= rsinθdθd (r=cte) voir chapitre 1
=∫ ∫ r
(cosθ)/rsinθdθdφ

=r
∫ ∫(cosθ)/sinθdθdφ
π
π
=2πr
∫(cosθ)/sinθdθdφ
=
2𝜋𝑟
(𝑠𝑖𝑛𝜃)/
/=
2𝜋𝑟
r=R, Donc :I=
2πR
Exercice9
Soit R > 0 et a > 0. Calculer l’intégrale de surface I=∬f(M)ds
où f(M) =f(x,y,z) =
 , et
s est le cylindre d’équation :x+y=R,0≤z≤a.
dS
(
S
)
(C)
n
⃗
+
Série 1 : Chapitre 1 : Équations de Maxwell
Onde et propagation3ième Licence Télécom (U BBA) Par Mme N.Lakjlef 5
I= f(M)ds
x+y=R,0≤z≤a équation d’un cylindre donc on préfère les coordonnées cylindrique.
f(x,y,z)=
 , f(r,φ,z)=
ds⊥u
⃗
, ds= rddz donc :I=∬f(M)ds
=∬
rddz
=∫ ∫ dzdφ

=
∫dz
=

z
=
a
Exercice10
Soit R > 0 et h > 0. Soit Σ la portion de cylindre d’équation Calculer l’intégrale de surface
d’équation :x+y=R,0≤z≤h.𝑥≥0,𝑦≥0. Déterminer le flux du champ de Vecteurs E
⃗
=
zı⃗+xȷ⃗−3yzk
⃗
à travers Σ (on précisera l’orientation choisie).
I=∬ds
La surface est cylindrique, donc on préfère les coordonnées
Cylindriques :
ds⊥u
⃗
, ds= Rddz
Donc :I=∬ds
=∬Rddz
=R∫ ∫ dzdφ

=2πR∫dz
=2πRh
Flux élémentaire : dΦ=E
⃗
.ds
⃗
=E
⃗
.n
⃗
ds
n
⃗
=u
⃗
=cosı⃗+sinȷ⃗, E
⃗
.n
⃗
=zı⃗+xȷ⃗−3yzk
⃗
.(cosı⃗+sinȷ⃗)=zcos+xsin,
dΦ=E
⃗
.ds
⃗
=E
⃗
.n
⃗
ds=(zcos+xsin)Rddz=(zcos+Rcossin)Rddz
dΦ=(zcos+Rcossin)Rdθdz
Φ=∫ ∫ (zcos+Rcossin)Rdθdz

=R∫
cos+zRcossin
dθ=R∫
cos+
hRcossindθ=R(
sin+
hR()
)
=0
Voir un autre exemple :
https://www.youtube.com/watch?v=B3BxUZr06lo
Exercice11
Soit R > 0, et soit S la demi-sphère d’équation : x+y+ z=R,z≥0.
On considère le champ de vecteurs 𝐸
⃗
= y ı⃗ + x(1 − 2z) ȷ⃗ − xy k
⃗
.
1) Calculer rot
⃗
E
⃗
. En déduire le flux de rot
⃗
E
⃗
à travers S (on précisera l’orientation choisie).
2) Retrouver ce résultat en utilisant la formule de Stokes.
3) Retrouver ce résultat en fermant la surface S par le disque de centre O de rayon R situé dans le
plan Oxy, et en utilisant la formule d’Ostrogradski.
O
z
Y
x
i
j
k
X
M
y
Z
n
⃗
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