Electromagnétisme

La boîte à outils pour s’attaquer aux exercices.

1. Equations de Maxwell

divE=ρε0rotE=BtdivB=0rotB=μ0(j+ε0Et)\displaystyle \begin{aligned} \textrm{div}\overrightarrow{E}&=\frac{\rho}{\varepsilon_{0}} &\overrightarrow{\textrm{rot}}\overrightarrow{E}&=-\frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\\ \textrm{div}\overrightarrow{B}&=0 &\overrightarrow{\textrm{rot}}\overrightarrow{B}&=\mu_{0}\left(\overrightarrow{j}+\varepsilon_{0}\frac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\right)\end{aligned}

  • Formulation intégrale en utilisant les relations de Green-Ostrogradski et Stockes-Ostrogradski.

  • Conservation de la charge :
    divj+ρt=0.\textrm{div}\overrightarrow{j}+\frac{\partial\rho}{\partial t}=0.

Aspect énergétique

  • Équation de Poynting (ou conservation de l’énergie) uemt+divΠ+j.E=0.\frac{\partial u_{em}}{\partial t}+\textrm{div}\overrightarrow{\Pi}+\overrightarrow{j}.\overrightarrow{E}=0.

uem=12ε0E2+B22μ0\displaystyle u_{em}=\frac{1}{2}\varepsilon_{0}E^{2}+\frac{B^{2}}{2\mu_{0}} densité volumique d’énergie (J.m3\displaystyle ^{-3}).

Π=EBμ0\displaystyle \overrightarrow{\varPi}=\frac{\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}}{\mu_{0}} vecteur de Poynting (W.m2)\displaystyle ^{-2}).

  • Formulation intégrale.

2. Régime permanent

Principe de Curie

Les éléments de symétrie des causes se retrouvent dans les effets produits (force électrique et magnétique) : E\displaystyle \overrightarrow{E} est un vecteur polaire, ou “vrai” vecteur, B\displaystyle \overrightarrow{B} est un “pseudo” vecteur (lié à l’orientation de l’espace à cause du \displaystyle \land dans la force).

Propriétés des champs

ElectrostatiqueMagneˊtostatiquediv(E)=ρε0div(B)=0\oiintE.dS=Qintε0 Th. de Gauss\oiintB.dS=0,rot(E)=0rot(B)=μ0jCE.dl=0CB.dl=μ0Ienl Th. d’AmpeˋreEnergie Eeˊl=espace12ε0E2.dτEnergie Emag=espace12μ0B2.dτ\displaystyle \begin{array}{cc} \underline{\textrm{Electrostatique}} & \underline{\textrm{Magnétostatique}}\\ \textrm{div}(\overrightarrow{E})=\frac{\rho}{\varepsilon_{0}} & \textrm{div}(\overrightarrow{B})=0\\ \oiint\overrightarrow{E}.\overrightarrow{dS}=\frac{Q_{int}}{\varepsilon_{0}}\textrm{ Th. de Gauss} & \oiint\overrightarrow{B}.\overrightarrow{dS}=0,\\ \overrightarrow{\textrm{rot}}(\overrightarrow{E})=\overrightarrow{0} & \overrightarrow{\textrm{rot}}(\overrightarrow{B})=\mu_{0}\overrightarrow{j}\\ \oint_{C}\overrightarrow{E}.\overrightarrow{dl}=0 & \oint_{C}\overrightarrow{B}.\overrightarrow{dl}=\mu_{0}I_{enl}\textrm{ Th. d'Ampère}\\ \textrm{Energie }\mathit{E_{\acute{e}l}}=\iiint_{espace}\frac{1}{2}\varepsilon_{0}E^{2}.d\tau & \textrm{Energie }E_{mag}=\iiint_{espace}\frac{1}{2\mu_{0}}B^{2}.d\tau\\ \end{array}

  • rot(E)=0\displaystyle \overrightarrow{\textrm{rot}}(\overrightarrow{E})=\overrightarrow{0}\Leftrightarrow il existe V tel que E=grad(V)\displaystyle \overrightarrow{E}=-\overrightarrow{\textrm{grad}}(V).
    Les lignes de champ de E\displaystyle \overrightarrow{E} “divergent” à partir des sources (ou convergent verselles), ne sont pas fermées, sont normales aux surfaces équipotentielles.
  • Les lignes de champ de B\displaystyle \overrightarrow{B} tournent autour des sources, sont fermées ou se ferment à l’infini.

Dipôles

Dipoˆle eˊlectrostatiqueDipoˆle eˊlectrostatiqueMoment dipolairep=qAA+M=iSoup=ρ(P)OPdτou M=12OPjdτChamp creˊeˊ{Er=14πε02pcos(θ)r3Eθ=14πε0psin(θ)r3{Br=μ04π2Mcos(θ)r3Bθ=μ04π2Msin(θ)r3E=μ04πr3(3(p.ur)urp)B=μ04πr3(3(M.ur)urM)Action subiecouple  C=pE0couple  C=MB0Energie potentielleEp=p.E0Ep=M.B0\displaystyle \begin{array}{ccc} & \underline{\textrm{Dipôle électrostatique}} & \underline{\textrm{Dipôle électrostatique}}\\ \textrm{Moment dipolaire} & \overrightarrow{p}=q\overrightarrow{A_{-}A_{+}} & \overrightarrow{M}=i\overrightarrow{S}\\ & \textrm{ou}\overrightarrow{p}=\iiint\rho(P)\overrightarrow{OP}d\tau & \textrm{ou }\overrightarrow{M}=\frac{1}{2}\iiint\overrightarrow{OP}\wedge\overrightarrow{j}d\tau\\ \textrm{Champ créé} & \begin{cases} E_{r}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{2p\cos(\theta)}{r^{3}}\\ E_{\theta}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{p\sin(\theta)}{r^{3}} \end{cases} & \begin{cases} B_{r}=\frac{\mu_{0}}{4\pi}\frac{2M\cos(\theta)}{r^{3}}\\ B_{\theta}=\frac{\mu_{0}}{4\pi}\frac{2M\sin(\theta)}{r^{3}} \end{cases}\\ & \overrightarrow{E}=\frac{\mu_{0}}{4\pi r^{3}}(3(\overrightarrow{p}.\overrightarrow{u_{r}})\overrightarrow{u_{r}}-\overrightarrow{p}) & \overrightarrow{B}=\frac{\mu_{0}}{4\pi r^{3}}(3(\overrightarrow{M}.\overrightarrow{u_{r}})\overrightarrow{u_{r}}-\overrightarrow{M})\\ \textrm{Action subie} & \text{couple \ }\overrightarrow{C}=\overrightarrow{p}\wedge\overrightarrow{E_{0}} & \text{couple \ }\overrightarrow{C}=\overrightarrow{M}\wedge\overrightarrow{B_{0}}\\ \textrm{Energie potentielle} & E_{p}=-\overrightarrow{p}.\overrightarrow{E_{0}} & E_{p}=-\overrightarrow{M}.\overrightarrow{B_{0}} \end{array}

Analogie électrostatique-gravitation

3. ARQS, induction

  • ARQS “magnétique” : temps de propagation \displaystyle \ll temps caractéristique d’évolution.

  • Loi de Faraday e=dϕdt\displaystyle e=-\frac{d\phi}{dt}, loi de Lenz.

  • Autoinduction e=dϕdt=dϕextdtLdidt\displaystyle e=-\frac{d\phi}{dt}=-\frac{d\phi_{ext}}{dt}-L\frac{di}{dt}.

  • Cas de Neumann, cas de Lorentz. Dans le cas de Lorentz, bilan auxiliaire de puissance : ei+PLaplace=0\displaystyle ei+P_{\textrm{Laplace}}=0.

4. Equation de propagation des champs dans le vide

vérifiée par E\displaystyle \overrightarrow{E} et B\displaystyle \overrightarrow{B} :Δ(E)1c22Et2=0.\overrightarrow{\Delta}\left(\overrightarrow{E}\right)-\frac{1}{c^{2}}\frac{\partial^{2}\overrightarrow{E}}{\partial t^{2}}=\overrightarrow{0}.

Propagation dans les milieux matériels : voir “ondes”