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Ondes électromagnétiques dans le vide

Les équations de Maxwell, que nous avons étudiées dans un précédent chapitre, sont l’équivalent des équations du mouvement pour le champ électromagnétique. Dans ce chapitre, nous nous intéresserons à la résolution de ces équations dans un milieu vide de charge et de courant.

Nous verrons alors que les solutions s’interprètent en termes d’ondes électromagnétiques dont nous étudierons les caractéristiques.

I Équation de propagation des champs électrique et magnétique dans le vide

I.1. Équations de Maxwell de le vide

On rappelle que les équations de Maxwell s’écrivent div(−→

E) = ρ ε0

div(−→ B) = 0

−→rot(−→

E) =−∂−→ B

∂t

−→rot(−→

B) =µ0−→ +µ0ε0

∂−→ E

∂t

Dans une région vide de charge et de courant, qui correspond à du véritable vide : ρ= 0 et −→ =−→0

On en déduit les équations de Maxwell dans une région vide de charge et de courant :

div(−→

E) = 0 div(−→ B) = 0

−→rot(−→E) =−∂−→B

∂t

−→rot(−→B) =µ0ε0 ∂−→E

∂t

On remarque la structure "relativement" symétrique des équations de Maxwell dans le vide. Les champs −→E et −→B sont à flux conservatif et il existe un couplage entre leur rotationnel et leur dérivée temporelle.

Dans toute la suite, nous nous placerons dans la situation ρ= 0et −→ =−→0.

I.2. Équation pour le champ électrique

Afin d’établir une équation ne faisant intervenir que le champ électrique, prenons le rotationnel de l’équation de Maxwell-Faraday :

Tristan Brunier Page 1/29 Année 2009-2010

Ondes électromagnétiques dans le vide

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Physique Ondes électromagnétiques dans le vide

−→roth−→rot(−→E)i

= −→rot −∂−→ B

∂t

!

(équation de Maxwell-Faraday)

= −∂

∂t

−→rot(−→B) (permutation des dérivées)

= −∂

∂t µ0ε0

∂−→ E

∂t

!

(équation de Maxwell-Ampère avec−→ =−→0)

= −µ0ε0

2−→E

∂t2

Mais le double rotationnel peut s’exprimer sous une autre forme, en utilisant une relation d’analyse vectorielle

−→roth−→rot(−→C)i

=−−→

gradh

div(−→C)i

−∆−→C ∀−→C En appliquant cette relation au champ électrique, on obtient

−−→gradh

div(−→E)i

| {z }

=ρ/ε0=0

−∆−→E = −µ0ε02−→E

∂t2

−∆−→E = −µ0ε02−→E

∂t2 (équation de Maxwell-Gauss avecρ= 0) Cette équation relie les variations spatiales et temporelles du champ électrique.

Dans le vide, le champ électrique−→E vérifie l’équation de d’Alembert :

∆−→E − 1 c2

2−→E

∂t2 =−→0 avec c= 1

√µ0ε0 oùcest la célérité des ondes électromagnétiques dans le vide.

Propriété

L’application numérique avec µ0= 4π.107 H.m1 etε0≈ 1

36π.109 F.m1 conduit à c= 1

√µ0ε0≈3.108 m.s−1

La célérité des ondes électromagnétiques dans le vide s’identifie à la célérité de la lumière.

Remarque

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I.3. Équation pour le champ magnétique

Afin d’établir une équation ne faisant intervenir que le champ magnétique, prenons le rotationnel de l’équation de Maxwell-Ampère :

−→roth−→rot(−→ B)i

= µ0ε0−→rot ∂−→ E

∂t

!

(équation de Maxwell-Ampère avec−→ =−→0)

= µ0ε0

∂t

−→rot(−→E) (permutation des dérivées)

= µ0ε0

∂t −∂−→ B

∂t

!

(équation de Maxwell-Faraday)

= −µ0ε02−→B

∂t2 Par ailleurs,

−→roth−→rot(−→ B)i

=−−→

gradh div(−→

B)i

| {z }

=0

−∆−→

B =−∆−→ B On en déduit

∆−→B −µ0ε02−→B

∂t2 =−→0

Dans le vide, le champ magnétique −→B vérifie l’équation de d’Alembert :

∆−→B − 1 c2

2−→ B

∂t2 =−→0 avec c= 1

√µ0ε0 Propriété

On retrouve la même équation vectorielle que pour le champ électrique.

Remarque

L’équation de d’Alembert s’écrit parfois

2f = 0 avec 2= ∆− 1 c2

2

∂t2 où l’opérateur 2 est appelé d’Alembertien.

Remarque

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I.4. Équation de propagation des potentiels V et A ~ dans le vide

En utilisant la condition de jauge de Lorentz dont on rappelle l’expression : div−→

A +µ0ǫ0

∂V

∂t = 0

on peut montrer facilement que les potentiels scalaire V et vecteur −→A vérifient également les mêmes équations :







∆V −µ0ǫ02V

∂t2 = 0

∆−→ A −µ0ǫ0

2−→ A

∂t2 =−→0

I.5. Solutions de l’équation de d’Alembert : ondes planes et ondes sphériques

a) ::::::::Ondes:::::::::planes

Supposons pour simplifier que les champs électrique et magnétique ne dépendent que d’une coordonnée cartésienne d’espace, par exemple x, et du temps :

→E(x, y, z, t) =−→E(x, t) et −→B(x, y, z, t) =−→B(x, t) onde plane de vecteur~ux

Le champ électrique prend alors la même valeur∀(y, z), c’est-à-dire en tout point d’un plan perpen-diculaire à~ux. On dit que l’évolution du champ électrique est celle d’une onde plane d’axe~ux.

Attention : a priori, on ne dispose d’aucune indication sur la direction du champ. En effet, pour une onde plane d’axe ~ux, on écrit, en composantes :

→E(x, t) =Ex(x, t)~ux+Ey(x, t)~uy+Ez(x, t)~uz

et le champ n’est ni nécessairement suivant ~ux, ni orthogonal à ~ux (voir figure 1).

Remarque

Figure 1 – Une onde plane correspond à un champ qui ne dépend que d’une coordonnée cartésienne d’espace. Les surfaces d’onde sont des plans orthogonaux à la direction de propagation.

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On rappelle qu’une surface d’onde est une surface sur laquelle, à une date donnée, chaque com-posante du champ (électrique ou magnétique) est uniforme. Pour une onde plane de vecteur~ux, les surfaces d’onde sont des plans orthogonaux à~ux.

Remarque

Les équations de propagation pour les champs électrique et magnétique prennent la forme d’une équa-tion de d’Alembert unidimensionnel

2−→E

∂x2 − 1 c2

2−→E

∂t2 =−→0

2−→ B

∂x2 − 1 c2

2−→ B

∂t2 =−→0

Les solutions s’écrivent comme une superposition d’ondes planes parogressives se propageant dans des sens différents

→E(x, t) =−→

E1(x−ct) +−→

E2(x+ct)

→B(x, t) =−→

B1(x−ct) +−→

B2(x+ct)

où−→E1, −→E2, −→B1 et−→B2 sont des champs de vecteurs C2 quelconques qui ne dépendent que dex±ct.

Plus généralement, une onde plane de vecteur~u s’écrira sous la forme

→E(M, t) =−→

E1(~u· −→r −ct) +−→

E1(~u· −→r +ct)

→B(M, t) =−→B1(~u· −→r −ct) +−→B1(~u· −→r +ct) avec −→r =−−→

OM,O étant une origine quelconque.

Remarque

Le modèle de l’onde plane n’est pas physique car c’est une onde d’extension spatiale infinie dans les direction~uy et~uz. L’énergie transportée par une onde plane est donc infinie.

Remarque

b) ::::::::Ondes:::::::::::::::sphériques

Les champs électromagnétiques sont généralement émis par des atomes, passant d’un niveau d’énergie à un niveau d’énergie plus faible. À l’échelle d’un observateur, ces atomes apparaissent ponctuels ce qui suggèrent de considérer que les champs électrique et magnétique, sont émis depuis un un point.En sup-posant de plus l’émission isotrope, on peut considérer que les champs ne dépendent, en norme, que de la distancer à un point origineO. On écrit donc, en coordonnées sphériques de centre O:

→E(M, t) =Er(r, t)~ur+Eθ(r, t)~uθ+Eϕ(r, t)~uϕ

→B(M, t) =Br(r, t)~ur+Bθ(r, t)~uθ+Bϕ(r, t)~uϕ

Les surfaces d’onde sont alors des sphères concentriques de rayon r. On parle d’onde sphérique.

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Physique Ondes électromagnétiques dans le vide

Définition :

On parle d’onde électromagnétique sphérique lorsque les composantes du champ électromagnétique ne dépendent que du temps et de la dis-tance r à une origine O.

Le champ électrique vérifie l’équation de d’Alembert

∆−→

L’expression du laplacien vectoriel est compliqué et sont calcul doit être fait en utilisant la relation

∆−→E =−−→grad(div−→E)−−→rot(−→rot−→E)

Intéressons-nous par exemple à la projection de l’équation de d’Alembert sur ~uθ. Tout calcul fait, on obtient soit, en multipliant parr

2(rEθ)

∂r2 − 1 c2

2(rEθ)

∂t2 = 0 Les solutions sont donc de la forme

Eθ(r, t) = 1

r;f(r−ct) + 1

r;g(r+ct) solutions en ondes sphériques oùf etg sont des fonctionsC2quelconques.

Le terme en f(r−ct)correspond à une onde se propageant dans le sens desr croissants, c’est-à-dire à une onde divergente.

Au contraire, le terme en g(r+ct)correspond à une onde convergente.

Par rapport à une onde plane, on constate que l’amplitude du champ décroît en 1 r. Remarque