X Physique MP 2009 — Énoncé 1/8
ÉCOLEPOLYTECHNIQUEFILIÈREMP
CONCOURSDADMISSION2009
COMPOSITIONDEPHYSIQUE
(Durée :4heures)
Lutilisation descalculatricesestautorisée pourcette épreuve.
⋆ ⋆
Compression delamatièreparondedechoc
Ons’intéressedansce problèmeàl’étudedétatsdelamatièredansdesconditionsextrêmes
detempérature etdepression,soitplusieursmilliersdekelvinsetplusdun million defoisla
pressionatmosphérique.Detelsétatsdelamatièresont rendusaccessiblesaumoyen dun laser
depuissance,quipermetde"déposer"del’énergiesurdepetites surfacespendantdesdurées
trèsbrèves.Lamatière estlocalementportée àl’étatdeplasmaetelle estlesiègedephénomènes
complexescommelapropagation dondesde chocquivontaboutirauxcompressionsextrêmes
évoquéesplushaut.Onseproposededécrirequelquesunsdesaspectsdelaphysiquedela
matièreàhautedensitédénergie,ainsiquel’un desdiagnosticsutiliséspourmesurerl’état
thermodynamiquedu système.
Lestroisparties sontindépendantes.
Donnéesnumériques
Massedu proton:mp=1,67 ×1027 kg
Massedel’électron:me=9,1×1031 kg
Charge élémentaire:e=1,6×1019 C
ConstantedeBoltzmann :kB=1,38 ×1023 J·K1
NombredAvogadro:NA=6,02 ×1023 mol1
Permittivitédu vide:ε0=8,85 ×1012 F·m1
Perméabilitédu vide:µ0=4π×107H·m1
Vitessedelalumièredanslevide:c=(ε0µ0)1/2=3,0×108m·s1
Formulaire
rot
rot~a=
grad div~a~
~a
ÉquationsdeMaxwell
div~
E=ρ
ε0
rot~
E=~
B
t
div~
B=0
rot~
B=µ0~
j+ε0µ0
~
E
t
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X Physique MP 2009 — Énoncé 2/8
I.Interactiononde électromagnétique-plasma
I.1Onconsidèreun plasmaneutre composéd’ions,pfoisionisés,demassemietdedensitévolu-
miqueni,ainsiquedélectronsdemassemeetdedensiténe.Traduire enéquationlaneutralité
électriquedu plasma.
Ons’intéresseaucouplagede ce plasma avec uneonde électromagnétiqueplaneprogressive
sepropageantdanslesensdeszcroissants,devecteurdonde~
k=k~ez.
On utiliseralesnotationscomplexesavec :
~
E=E0expi(ωt~
k·~r)~ex,~
B=B0expi(ωt~
k·~r)~ey
I.2Onsupposeleplasmasusammentdiluépourquelesionsetlesélectronspuissentêtre consi-
déréscommeindépendantslesunsdesautres.Depluson négligel’action du champmagnétique.
Écrirelarelationfondamentaledeladynamiquepourlesionsetlesélectrons.En déduire
que,pourdesparticulesdevitessesinitialesnulles, lesdéplacements seectuentselonOx,per-
pendiculairementà~
k.
I.3En utilisantlanotationcomplexe,exprimerlesvitessesdesions~vietdesélectrons~veen
fonction du champélectrique.En déduirel’expressionlocaledeladensitéde courant~
jenfonction
de~
E.Justierqueseulslesélectronscontribuenten pratiqueaucourantdansleplasma.
I.4Établirlarelation dedispersion desondesélectromagnétiquesdansleplasma,cest-à-direla
relationk(ω).On dénirala "fréquence plasma" ωpparωp=»nee2/ε0me.
Tracerl’alluredelacourbek(ω);on préciseraen particulierlatangente enk=0etlaforme
asymptotiqueauxgrandesfréquences.
I.5Àquelle conditionl’onde électromagnétiquesepropage-t-elle eectivementdansleplasma?
Pourunepulsationωdonnée,en déduirequ’il existeunedensité électronique critiquenCau-delà
delaquellel’ondenepeutplus sepropager.
I.6Quesepasse-t-il lorsquuneonde électromagnétique,sepropageantdanslevide,pénètre
dansun plasmadedensité électroniquetellequeωp>ω?En particulier,ya-t-il dissipation
énergétique?
I.7Application numérique.Leslasersdepuissance enservice danslemonde(installation
OMEGAauxUSA,LignedIntégrationLaserenFrance)ouencoursde construction(Laser
Mégajoule,NationalIgnitionFacility)fonctionnentàlalongueurdondeλL=351 nm.
Calculerladensité critique correspondante.Lacompareràladensité électroniquedun métal
quiestdel’ordrede1×1023 cm3.
I.8Lexpérience montrequelefaisceau dun laserdepuissance,focalisésurun échantillon, l’ionise
enformantun plasmaetqu’il estabsorbé,essentiellementauvoisinagedelapositionoùladensité
électronique estvoisinedeladensité critiquenC.Pourpouvoirinterpréterce phénomène,quelle
hypothèse eectuée au débutde cettepartiefaut-il remettre encause?
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X Physique MP 2009 — Énoncé 3/8
I.9Pourpréciserl’étatdun plasmadedensité électroniquene,onconsidèredeuxélectrons.
Àquelledistance rLleurénergied’interactioncoulombienne est-elle égaleàl’énergiedagitation
thermiquekBTcorrespondantàlatempératureT?
On prend cettedistance commeordredegrandeurpourestimerlelibreparcoursmoyen
dun électron parl’expression=1/πr2
Lne.
CalculerrLetpourne=1×1022 cm3etkBT=10 eV.Commenter.
I.10 Uneonde électromagnétique,arrivantorthogonalementàlasurface dun milieuabsorbant,
exerce surce milieu desforces setraduisantparunepressionpégaleàlamoyennetemporelle
deladensitévolumique énergétiquedel’onde:p=huemi.Àquellegrandeurphysiquedel’onde
peut-onassociercesforcesdepression?
Unlaserdepuissance typique émetpendantunedurée τ=5nsune énergieEL=5kJ
concentrée surunetachefocaledel’ordrede1mm2.Calculerlapressionqu’il exerce surune
surface absorbante; l’exprimeren bar (1bar=1×105Pa
=1atm).
Enfait,unetelleimpulsionlasercrée danslematériau uneondede chocavec unepression
quiatteintladizainedeMbar (cf. partieII).Cettevaleurest-elle compatibleavec lapression de
radiationcalculée ci-dessus?
II.Ondedechoc;aspectsthermodynamiques
L’interaction dun rayonnementlaserdefortepuissance avec un matériauinitialementau
reposengendre,aprèsionisation du milieueteetsthermiques,unebrusquemise enmouvement
parcompression.Onseproposedobtenirdanscettepartielesrelationsthermodynamiques
régissantl’évolution ultérieuredu milieu.
Figure1.Propagationduneondede choc
dansuntube Figure2.Bilans surunetranchede gaz
Dansune conduite cylindriquedesection daireS,onconsidèreun gazinitialementaurepos,
depressionP0,detempératureT0etdemassevolumiqueρ0.Cegaz estmisenmouvementet
il seformeunediscontinuitédepressionou"ondede choc"quisepropagedanslaconduiteà
unevitesseD.Lapression du gazpassedeP0àP1, lavitessedu gazdev0=0àv1,etlamasse
volumiquedeρ0àρ1.Leprocessusestsupposéadiabatique.LapressionP1du gazaprèspassage
del’ondeseraprise commeparamètre.Onseproposededéterminerlamassevolumiqueρ1etla
températureT1aprèspassagedel’ondede choc etdedéterminerlavitesseDde celle-ci.
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X Physique MP 2009 — Énoncé 4/8
II.1Onconsidèreun tronçonxeABdelaconduite contenantinitialementunemasseδmde
gaz.Ilest traverséparladiscontinuitépendantl’intervalledetemps[t,t+δt](gure2).
II.1.1Déterminerlesvolumesoccupésparlamasseδmauxinstantstett+δt.En déduire
unerelationentreρ0,ρ1,v1etD.
II.1.2Toujourspourlamasseδm,exprimerlebilan dequantitédemouvemententreles
instantstett+δt;en déduireunerelationentreρ0,P0,P1,v1etD.On négligeratoutfrottement
du gazsurlaparoidelaconduite.
II.1.3Exprimerletravail δWdesforcesextérieuresdepressionexercées surlamasseδm
pendantl’intervalledetempsδt.
II.1.4Lamasseδmsubitunevariation dénergieinterne etacquiert del’énergie cinétique.
Onappellerae0ete1lesénergiesinternesmassiquesdu gazrespectivementavantetaprèsle
passagedeladiscontinuité.Exprimerlebilanénergétiquedeδmentretett+δt.
II.1.5Aumoyen desrelationsétabliesenII.1.1,II.1.2etII.1.4,montrerque:
e1e0=1
21
ρ0
1
ρ1(P1+P0)
II.1.6P1étantsupposé connu, les3relationsétabliesenII.1.1,II.1.2etII.1.5,
ditesdHugoniot-Rankine,sont-elles susantesàladéterminationthermodynamique complète
du système?
II.2Onconsidèrele casparticulierdun gazparfait.
II.2.1Montrerquel’énergieinternemassiqueedu gaz estdonnée par:e=P/[ρ(γ1)]
avec γ=CP/CV,CPetCVétantlescapacitésthermiquesmassiquesdu gaz.
II.2.2En déduirequelerapport de compressionρ1
ρ0
estdonné,enfonction du rapport des
pressionsP1
P0
,par:ρ1
ρ0
=(γ1)+(γ+1)(P1/P0)
(γ+1)+(γ1)(P1/P0)
II.2.3Exprimerégalementlerapport destempératuresT1
T0
enfonction deγetdeP1
P0
.
Onconsidèremaintenantune compressionfortepourlaquelleP1/P0>> 1.
II.2.4Montrerquelerapport desmassesvolumiquestend versunevaleurlimite.Calculer
cettelimitepourun gazparfaitmonoatomique.
II.2.5Quenest-il du rapport destempératures?Quelsphénomènespouvantavoirdel’im-
portance ontéténégligés?
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X Physique MP 2009 — Énoncé 5/8
II.3Ons’intéressemaintenantàlaléritéDdel’ondede choc,toujourspourun gazparfait.
II.3.1Lavitessec0desondes sonoresdanslegaz estdonnée par:c0=γP0
ρ0
.Quelen
estl’ordredegrandeurdansl’air,demassemolairemoyenneMA=29 g,souslesconditions
normalesdetempérature etdepression?
II.3.2ExprimerDenfonction dec0,γetdu rapport P1
P0
.
II.3.3Applicationaucasdun gazparfaitmonoatomiquepourun rapport depressionP1
P0
=3.
CalculerD
c0
,ρ1
ρ0
etT1
T0
.
II.3.4Lentropiemassiquedun gazparfaitestdelaforme:s=CVln[Pργ]+s0.Avec
lesvaleursnumériquesobtenuesenII.3.3,calculerlavariation dentropiemassique enfonction
deCV;quenconcluez-vous?
II.4Ons’intéressemaintenantsuccinctementaucasdelapropagation duneondede chocdans
un solide.LesbilansétablisenII.1restentvalides.
Uneloiempiriquedonnelarelationsuivante entrelavitessedepropagation del’ondede choc
etlavitessev1pourlaplupart des solides:D=av1+b.
II.4.1En utilisantlarelationétablie enII.1.2,établirlaformedelacourbeP1=f(v1),
dénommée polairede choc.
II.4.2Pourl’aluminium:ρ0=2,7g·cm3etD=1,2v1+6, lesvitessesDetv1étant
expriméesenkm·s1.Onchercheàcomprimerce matériauàρ1=8g·cm3.
EstimerlaléritéDdelondede chocnécessaire,ainsiquelavitessev1delamatière.
En déduirel’ordredegrandeurdelapressionP1à appliquer.Lexprimeren bar
(1bar=1×105Pa).Compareràlapressionatmosphériquestandard.
II.4.3Onadmetquuneloidéchellerelielapression del’ondede choc engendrée parun
laserdepuissance (delongueurdonde351 nm)etl’intensitélaserdirectementincidentesurle
matériau.SoitI15 l’intensitélaseren unitéde1015 W·cm2.Laloidonne:P(Mbar)=80(I15)2/3.
Quelle estl’intensitélasernécessairepourengendrerlapressioncalculée enII.4.2?Cedo-
maine est-il accessibleavec lelaserde caractéristiquesdonnéesenI.10 ?
II.4.4Pourdesconsidérationsgéométriques, lelaserMégajoulepermetde concentrersur
lacibleune énergiedel’ordrede500 kJpendantunedurée de25 ns,avec unetachefocalede
1mm2.En déduireun ordredegrandeurdelapressionmaximaleaccessible.
Lapressionàl’intérieurdu noyauterrestre estdel’ordrede100 à 350 GPa.Cetypedexpé-
riencesde compressiona-t-il un intérêtengéophysique etenastrophysique?
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