Électrodynamique classique, Ondes, Antennes, et Processus d

Électrodynamique classique, Ondes,
Antennes, et Processus d’émission
Gérard Bonhomme
Professeur à l’Université Henri Poincaré, Nancy I
18 juin 2007
Table des matières
1 BASES DE L’ELECTROMAGNÉTISME 4
1.1 CHAMPS ELECTROMAGNÉTIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Equations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Equations de conservation (ou de continuité) . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Equation de conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Equation de conservation de la quantité de mouvement et tenseur
des contraintes de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.6 Potentiel scalaire et potentiel vecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.7 Conditions de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.8 Solutions des équations de Poisson et de d’Alembert . . . . . . . . . 10
1.1.9 Equations de Maxwell dans un milieu matériel . . . . . . . . . . . 11
1.2 DEVELOPPEMENTS MULTIPOLAIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Définition des moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Champs multipolaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 Energie potentielle associée à un multipole . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.4 Développement en harmoniques sphériques . . . . . . . . . . . . . . 16
2 OUTILS MATHEMATIQUES 19
2.1 Tenseurs cartésiens et opérateurs différentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Transformée de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Fonctions généralisées ou distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Transformée de Hibert et fonctions causales . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Intégration dans le plan complexe ω-Pôles ................. 28
2.6 Systèmes linéaires, fonctions de transfert et réponse impulsionnelle . . . . . 31
3 REPONSE D’UN MILIEU MATERIEL A UN CHAMP ELECTRO-
MAGNETIQUE 34
3.1 DESCRIPTIONS DE LA REPONSE DU MILIEU . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.1 Réponses statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2 Les différents types de milieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 Les deux descriptions alternatives de la réponse linéaire . . . . . . . 38
3.1.4 Tenseurs de réponse non linéaire : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.5 Exemple Illustratif : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.5.1 Conductivite d’un Plasma (limite statique et B0= 0) . . . 40
3.1.5.2 Tenseur diélectrique équivalent d’un plasma . . . . . . . . 42
3.1.5.3 Loi d’Ohm généralisée B06= 0) ............... 43
1
3.2 PROPRIETES GENERALES DE LA REPONSE . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.1 Relation entre réponse spatio-temporelle et composantes de Fourier 46
3.2.2 Séparation en parties dissipative et non dissipative . . . . . . . . . 47
3.2.3 Les relations de Kramers-Kronig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.4 Les relations d’Onsager : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.5 Les axes principaux d’un cristal anisotrope . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.6 Causalité et propriétés analytiques du tenseur réponse . . . . . . . 53
3.3 TENSEUR DIELECTRIQUE DE MILIEUX IDEALISES . . . . . . . . . . 57
3.3.1 Polarisabilité des atomes et molécules . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.2 L’équation de Lorenz-Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.3 Système d’oscillateurs classiques en régime forcé . . . . . . . . . . . 59
3.4 TENSEUR DIELECTRIQUE EQUIVALENT DES PLASMAS . . . . . . . 62
3.4.1 Le modèle du plasma froid magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.2 Modèle du plasma froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.3 Plasma chaud non magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.4 Dérivation de l’expression de Kij (ω, k)à partir l’équation de Vlasov 67
4 PROPRIETES DES ONDES 69
4.1 RELATION DE DISPERSION ET POLARISATION . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 L’équation d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 L’équation de dispersion et les relations de dispersion . . . . . . . . 70
4.1.3 Vecteurs polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.4 Amortissement des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5 Formes explicites de Λ(ω, k)et λij(ω, k)............... 72
4.2 ONDES DANS LES DIELECTRIQUES CLASSIQUES . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Ondes dans les diélectriques isotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Ondes dans les cristaux uniaxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.3 La vitesse de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.4 Ondes dans un milieu optiquement actif . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.5 Ondes dans les cristaux biaxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5 ONDES DANS LES PLASMAS 86
5.1 Ondes dans les plasmas chauds isotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.1.1 Ondes de Langmuir : (vϕVe) .................... 86
5.1.2 Ondes acoustiques ioniques : (VivϕVe)............. 88
5.1.3 Modes transverses : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Relations de dispersion pour les ondes en magnéto-plasma froid . . . . . . 90
5.2.1 Coupures et résonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2.2 Polarisation des ondes du modèle magnéto-ionique . . . . . . . . . . 97
5.2.3 Diagramme CMA (Clemmow-Mullaly-Allis) . . . . . . . . . . . . . 100
6 POLARISATION DES ONDES TRANSVERSALES 104
6.1 Le tenseur de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Interprétation du tenseur de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3 Cas limite d’une faible anisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4 L’équation de transport dans la représentation de Jones . . . . . . . . . . . 112
6.5 L’équation de transport dans la description de Mueller . . . . . . . . . . . 112
2
6.6 Exemples de transport de rayonnement polarisé . . . . . . . . . . . . . . . 114
7 ENERGETIQUE ET AMORTISSEMENT DES ONDES 116
7.1 Energies électrique et magnétique dans l’onde . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Travail réalisé par les effets dissipatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Amortissements temporel et spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4 Flux d’énergie dans l’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.5 Description semi-classique des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3
Chapitre 1
BASES DE
L’ELECTROMAGNÉTISME
1.1 CHAMPS ELECTROMAGNÉTIQUES
Le champ électromagnétique peut toujours être décrit par les deux champs Eet B
Eest le champ électrique (unité : volt/m, soit kg.m.s2.C1à partir de la force agis-
sant sur une charge test q, i.e., F=qE)
Best l’induction magnétique (unité : tesla (T), soit kg.s1C1à partir de la force
agissant sur un courant I, par unité de longueur F=I×B)
Les équations de Maxwell relient les champs à leurs sources ρ(C.m3)) et J(A.m2)).
Elles sont invariantes dans tout changement de référentiel galiléen, ce qui n’est pas le cas
des équations dites constitutives. Ce point sera discuté plus loin.
1.1.1 Equations de Maxwell
×E=B
t (loi de Faraday)
×B=µ0J+1
c2
E
t (loid’Ampère)
·B= 0
·E=ρ
0(loi de Gauss)
(1.1)
avec 0µ0=1
c2,0= 8,854.1012 F.m1,µ0=4π.107H.m1, où 1 H = 1 V.s.A1et
1 F = 1 C.V1.
Ces équations sont valables quel que soit le milieu. En présence d’un milieu matériel
on a :
ρ=ρext. +ρind. et J=Jext. +Jind.
Pour certains types de milieux matériels, les réponses (ρind. et Jind.) sont incorporées
dans deux nouveaux champs :
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