Exercice no3 : Structure des ondes électromagnétiques planes progressives harmoniques dans
un milieu DLHI parfait et non-magnétique
Dans toute la suite, on appellera Mun tel milieu. On s’intéresse ici à la propagation, dans Mde permitti-
vité diélectrique relative complexe εr(ω), d’une onde électromagnétique plane progressive harmonique décrite en
notation complexe par les champs électrique ~
E(M,t) = ~
E0(M)exp(iωt) et magnétique ~
B(M,t) = ~
B0(M)exp(iωt),
en un point M du milieu et à l’instant t.
1. Déterminer les équations de propagation des champs complexes ~
E(M,t) et ~
B(M,t) dans ce milieu.
2. En déduire, en précisant la forme choisie pour les fonctions ~
E0(M) et ~
B0(M), la relation de dispersion
dans ce milieu (on introduira un vecteur d’onde ~
ka priori complexe).
3. On définit l’indice complexe ncomme étant le nombre complexe dont la partie réelle est positive et qui
vérifie n(ω)2=εr(ω). On pose n(ω) = nr(ω)−i ni(ω), donner l’interprétation physique de nr(ω)et de ni(ω).
Caractériser les zones du spectre où Mest transparent.
4. Quelle est la structure du champ électromagnétique dans le milieu ? ~
E(M,t) et ~
B(M,t) sont-ils néces-
sairement en phase ?
5. Déterminer la valeur moyenne temporelle du vecteur de Poynting ~
Πdans ce milieu. Pour cela on
admettra :
<~
Π>=1
2Re~
E∗
∧~
B
µ0,
et on pourra utiliser la formule :
~a∧(~
b∧~c) = (~a.~c)~
b−(~a.~
b)~c.
Commenter le résultat obtenu.
Exercice no4 : Lois de Snell-Descartes
Une onde plane monochromatique, polarisée rectilignement et de pulsation ω, est incidente à la surface de
séparation Σentre deux milieux diélectriques linéaires homogènes isotropes parfaitement isolants non magné-
tiques M1et M2, transparents, d’indices réels respectifs n1pour le milieu d’incidence M1et n2pour le milieu
de réfraction M2.
1. Énoncer les lois de Snell-Descartes.
2. Écrire la continuité de la composante tangentielle du champ électrique à l’interface Σentre le milieu
1 et le milieu 2. On prendra l’origine O sur Σ, on notera ωr(resp. ωt) et ~
kr(resp. ~
kt) la pulsation et le vecteur
d’onde de l’onde réfléchie (resp. transmise).
3. Donner les expressions des normes des différents vecteurs d’onde en fonction de c,ωet des indices n1
et n2.
4. Retrouver les lois de Snell-Descartes. On pourra pour cela se placer au voisinage immédiat de l’origine
O de sorte que l’on puisse assimiler Σà son plan tangent en O.
Problème : Propagation dans les milieux non isotropes : biréfringence d’un milieu uniaxe
A- Structure de l’onde dans un milieu anisotrope
Dans cette partie, nous nous intéresserons à la propagation d’une onde plane monochromatique polarisée rec-
tilignement dans un milieu diélectrique parfaitement isolant transparent, linéaire, homogène, non magnétique
mais électriquement anisotrope. Dans un tel milieu, la relation entre le vecteur déplacement électrique ~
Det le
champ électrique ~
Eest de la forme : ~
D = []~
E, où [], le tenseur diélectrique, est une matrice 3x3 dont chaque
élément est a priori dépendant de la pulsation ω.
Une onde plane monochromatique polarisée rectilignement se propage dans un tel milieu. Le champ électrique
complexe associé est de la forme : ~
E(~r,t) = ~
E0exp i(~
k.~r−ωt), avec ~
k = k~uoù ~u est la direction de propagation
de l’onde dans le milieu (k réel).
A-1- Réécrire les équations de Maxwell en utilisant la notation complexe. En déduire la structure de l’onde
dans le milieu. On précisera sur un schéma les positions relatives des différents vecteurs réels ~u,~
E,~
B,~
D. Auquel
des deux vecteurs ~
Eou ~
Ddoit-on identifier la vibration lumineuse pour conserver la transversalité du champ
électromagnétique par rapport à la direction de propagation ~u?
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