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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Physique math´ematique : r´esum´e

1 Magnetostatics

Biot and Savart law

dB~ =k.I ~dl×~x

|x|3 (1)

dF~ =I ~dl×B~ (2)

Z

∂S

B. ~~ dl=µ Z

S

J . ~~dS (3)

B~ =∇ ×~ A(~~ x) (4)

Coulomb gauge

∆A~ =−µ0J~ (5)

Magnetic moment

~ m=1

2 Z

d3x0(~x0×J(~~ x0)) (6)

Density of magnetic moment M(x) =~ 1

2(~x×J~(x)) (7)

B~(x) = µ0

3~x(~m~x)−m.~~ x2

x5 (8)

Torque in classical mechanics T~ =X

i

~ri×F~i (9)

Torque in magnetostatics

T~ 'm~ ×B~ (10)

Faraday induction law

E=−dφ

dt (11)

withφ=R

SB. ~~ dS andE=R

∂SE. ~~ dl

(2)

Energy of magnetic field

δW =I.δφ (12)

W = 1 2µ0

Z

d3x.B2 (13)

W = 1 2 Z

d3x. ~J . ~A (14)

2 Maxwell Equations

∇. ~~ E= ρ 0

(I)

∇ ×~ B~ −µ00∂ ~E

∂t =µ0J~ (II)

∇ ×~ E~ +∂ ~B

∂t = 0 (III)

∇. ~~ B= 0 (IV)

Conservation law

∂ρ

∂t +∇. ~~ J = 0 (15)

Potentials

B~ =∇ ×~ A~ (16)

E~ =−∇ϕ~ −∂ ~A

∂t (17)

Relativistic form

µFµν = 1 c0

jν (18)

withFµν =

0 −E1 −E2 −E3 E1 0 −cB3 cB2 E2 cB3 0 −cB1 E3 −cB2 cB1 0

andjµ= (cρ, ~J)

(3)

3 Electric and magnetic fields in media

Polarization

Ptot

V =σ≡P (19)

ρP(x) =−∇. ~~ P(x) (20)

σP(x) =~n. ~P(x) (21)

ρext=∇. ~~ D (22)

withD~ =0E~ +P~

P~ '0χe. ~E (23)

D~ ' ~E (24)

with=0(1 +χe)

∇. ~~ E' ρ

(25)

Continuity

~

n21×(E~2−E~1) = 0 (26)

~

n21.(D~2−D~1) =σext (27) Energy

W = 1 2

Z

d3x(E. ~~ D) (28)

Magnetostatics in media

J~M(x) =∇ ×~ M~(x) (29)

∇ ×~ H~ =J~ext (30) withH~ = µ1

0

B~ −M~

Relation between B and H

B~ =µ ~H (31)

for isotropic diamagnetic and paramagnetic substances

B~ =F(H~) (32)

for ferromagnetic substances

(4)

4 Charged particle in electromagnetic field

Equation of motion

dˆpµ ds = e

c2

µν.ˆuν (33)

– Space component :

d~p

dt =e[E~ +~v×B]~ (34) with~p=qm~v

1−v2

c2

– Time component :

dE

dt =e~v. ~E (35)

E =p

m2c4+p2 (36)

~ p=~vE

c2 (37)

Gyration frequency

~

ωB = e ~B

mγ = ec2B~

E (38)

Drift in non-uniform magnetic field

~vdrif t= a2 2B0

.~ω0×∇B~ (39)

Drift in a constant electric and magnetic field

~vdrif t= E~ ×B~

B2 (40)

Field invariants

I1=c2B~2−E~2 (41)

I2=E. ~~ B (42)

5 Electromagnetic waves

D’Alembert equations [1

c2

2

∂t2 −∂i2]Ei = 0 (43) [1

c2

2

∂t2 −∂2i]Bi= 0 (44)

(5)

Monochromatic wave

E~ =Re[E~0eiωt−i~k.~x] (45) B~ =Re[B~0eiωt−i~k.~x] (46) with~k=~c

Poynting vector

S~ = 1 µ0

E~ ×B~ =~n.cW (47)

Energy

W =1 2

1 µ0

B~2+1

20E~2 (48)

−J.E= ∂w

∂t +∇. ~~ S (49)

Snell law

n

n0 = sinβ

sinα (50)

withn=vc Brewster angle

cos2α= 1

n02

n2 + 1 (51)

6 Emission of electromagnetic waves

[1 c2

2

∂t2 − ∇2]ϕ= ρ 0

(52)

[1 c2

2

∂t2− ∇2]A~ =µ0J~ (53) Potentiels retard´es

ϕ(~x, t) = 1 4π0

Z

dV ρ(t−|x~0−~cx|, ~x)

|x~0−~x| (54)

A(~~ x, t) = µ0

4π Z

dV

J~(t−|x~0−~cx|, ~x)

|x~0−~x| (55) Larmor formule

I=µ0e2 6πc

~a2−(~vc ×~a)2

(1−vc32)3 (56)

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