Propagation des Ondes Sphériques

Exercice : Propagation des Ondes Sphériques

Propagation des Ondes Sphériques Électromagnétiques

Contexte : L'étude des ondes électromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui oscillent à la même fréquence. est fondamentale dans de nombreux domaines technologiques.

Cet exercice se concentre sur un cas d'école essentiel : l'onde sphérique. Nous modélisons une source ponctuelle, comme une petite antenne, qui rayonne de l'énergie de manière uniforme dans toutes les directions. Comprendre comment la puissance et l'amplitude des champs varient avec la distance est crucial pour la conception des systèmes de télécommunication, des radars ou pour évaluer l'exposition aux champs électromagnétiques.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à quantifier l'atténuation d'une onde avec la distance et à lier la puissance d'une source aux champs E et H qu'elle génère dans l'espace.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre l'expression mathématique d'une onde sphérique.
  • Calculer la densité de puissance (vecteur de Poynting) à une distance donnée.
  • Déterminer l'amplitude du champ électrique (E) et magnétique (H) à partir de la puissance.
  • Appliquer la relation liant le champ E et H dans le vide.

Données de l'étude

On considère une antenne isotropeUne source d'onde ponctuelle théorique qui rayonne la même intensité de radiation dans toutes les directions. placée dans le vide, qui rayonne une puissance totale constante.

Fiche Technique
Source d'onde sphérique
Rayonnement isotrope Les fronts d'onde sont des sphères concentriques r
Caractéristiques Générales de l'Onde
Caractéristique Symbole Valeur
Source de l'onde Antenne isotrope
Milieu de propagation Vide (\(\epsilon_0\), \(\mu_0\))
Fréquence de l'onde \(f\) 3 GHz
Paramètres Physiques et Numériques
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Puissance totale rayonnée \(P_{\text{tot}}\) 100 W
Impédance du vide \(\eta_0 = \sqrt{\mu_0 / \epsilon_0}\) \(\approx 377\) \(\Omega\)
Vitesse de la lumière \(c\) \(3 \times 10^8\) m/s

Questions à traiter

Pour une distance d'observation \(r = 10\) m de la source :

  1. Calculer la pulsation \(\omega\) et le nombre d'onde \(k\) de l'onde.
  2. Déterminer la densité de puissance moyenne \(\langle S \rangle\) (module du vecteur de Poynting moyen).
  3. Calculer l'amplitude \(E_0\) du champ électrique à cette distance.
  4. En déduire l'amplitude \(H_0\) du champ magnétique à cette même distance.
  5. Donner l'expression complète du champ électrique instantané \(\vec{E}(r, t)\) en notation réelle, en supposant une polarisation rectiligne selon le vecteur unitaire \(\vec{u}_\theta\).

Les bases sur les Ondes Sphériques

Une onde sphérique est une onde dont les fronts d'onde (surfaces de phase constante) sont des sphères concentriques centrées sur la source.

1. Expression de l'onde et atténuation
Pour une onde sphérique harmonique se propageant dans le vide, l'amplitude du champ décroît en \(1/r\) pour conserver l'énergie. Le champ électrique peut s'écrire : \[ E(r, t) = \frac{A}{r} \cos(\omega t - kr + \phi_0) \] Où \(A\) est une constante liée à la puissance de la source, \(r\) la distance radiale, \(\omega\) la pulsation et \(k\) le nombre d'onde.

2. Puissance et Vecteur de Poynting
La puissance totale rayonnée \(P_{\text{tot}}\) par une source isotrope se répartit sur la surface d'une sphère de rayon \(r\) (surface \(4\pi r^2\)). La densité de puissance moyenne \(\langle S \rangle\) à cette distance est donc : \[ \langle S \rangle = \frac{P_{\text{tot}}}{4\pi r^2} \] Cette densité est aussi liée à l'amplitude du champ électrique \(E_0\) par : \[ \langle S \rangle = \frac{E_0^2}{2\eta_0} \]


Correction : Propagation des Ondes Sphériques Électromagnétiques

Question 1 : Calculer la pulsation \(\omega\) et le nombre d'onde \(k\).

Principe

La pulsation \(\omega\) (vitesse angulaire temporelle) est directement liée à la fréquence \(f\) de l'onde, tandis que le nombre d'onde \(k\) (vitesse angulaire spatiale) est lié à la manière dont la phase de l'onde varie dans l'espace, dépendant de la pulsation et de la vitesse de propagation \(c\).

Mini-Cours

Toute onde périodique est caractérisée par sa répétition dans le temps (période T, fréquence f) et dans l'espace (longueur d'onde \(\lambda\)). La pulsation \(\omega=2\pi/T=2\pi f\) exprime la vitesse de variation de la phase dans le temps (en rad/s). Le nombre d'onde \(k=2\pi/\lambda\) exprime la vitesse de variation de la phase dans l'espace (en rad/m).

Remarque Pédagogique

Pensez à \(\omega\) comme une "fréquence angulaire temporelle" et à \(k\) comme une "fréquence angulaire spatiale". Les deux sont essentiels pour décrire l'oscillation de l'onde à la fois en un point fixe au cours du temps, et sur une "photo" de l'onde à un instant donné.

Normes

Il ne s'agit pas de normes réglementaires, mais de définitions fondamentales de la physique des ondes, universellement reconnues et issues de la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell.

Formule(s)

Formule de la pulsation

\[ \omega = 2\pi f \]

Formule du nombre d'onde

\[ k = \frac{\omega}{c} = \frac{2\pi}{\lambda} \]
Hypothèses

On suppose que l'onde est parfaitement monochromatique (une seule fréquence \(f\)) et que le milieu de propagation (le vide) est non-dispersif, ce qui signifie que la vitesse de phase \(c\) est la même pour toutes les fréquences.

Donnée(s)

Les données utilisées pour ce calcul sont directement issues de l'énoncé de l'exercice.

ParamètreSymboleValeurUnité
Fréquence\(f\)\(3 \times 10^9\)Hz
Vitesse de la lumière\(c\)\(3 \times 10^8\)m/s
Astuces

Pour vérifier rapidement le nombre d'onde, calculez d'abord la longueur d'onde : \(\lambda = c/f\). Pour 3 GHz, \(\lambda = (3 \times 10^8) / (3 \times 10^9) = 0.1\) m. Ensuite, \(k = 2\pi / \lambda = 2\pi / 0.1 = 20\pi \approx 62.83\) rad/m. C'est un bon moyen de vérifier le calcul direct.

Schéma (Avant les calculs)
rEλ (Longueur d'onde)
Calcul(s)

Calcul de la pulsation \(\omega\)

\[ \begin{aligned} \omega &= 2\pi f \\ &= 2\pi \times (3 \times 10^9 \text{ Hz}) \\ &= 6\pi \times 10^9 \text{ rad/s} \\ &\approx 1.885 \times 10^{10} \text{ rad/s} \end{aligned} \]

Calcul du nombre d'onde \(k\)

\[ \begin{aligned} k &= \frac{\omega}{c} \\ &= \frac{6\pi \times 10^9 \text{ rad/s}}{3 \times 10^8 \text{ m/s}} \\ &= 20\pi \text{ rad/m} \\ &\approx 62.83 \text{ rad/m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
ωUn tour complet = 2π radiansDurée = T = 1/f
Réflexions

Un nombre d'onde de \(20\pi\) rad/m signifie que la phase de l'onde effectue un tour complet (\(2\pi\) radians) tous les \(0.1\) mètre, ce qui confirme que la longueur d'onde est bien de 10 cm.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est de confondre la fréquence \(f\) (en Hz) et la pulsation \(\omega\) (en rad/s). N'oubliez jamais le facteur \(2\pi\). De même, assurez-vous que toutes les unités (GHz en Hz, etc.) sont cohérentes avant le calcul.

Points à retenir

Pour maîtriser cette question, retenez :
1. Lien Temps : Fréquence \(f \leftrightarrow\) Pulsation \(\omega\).
2. Lien Espace : Longueur d'onde \(\lambda \leftrightarrow\) Nombre d'onde \(k\).
3. Lien Espace-Temps : Vitesse de phase \(c = \omega/k = \lambda f\).

Le saviez-vous ?

En physique des particules, le concept de nombre d'onde est généralisé au "quadrivecteur d'onde-impulsion" dans le cadre de la relativité restreinte, unifiant l'énergie et l'impulsion de la même manière que \(\omega\) et \(k\) sont unifiés.

FAQ
Résultat Final
La pulsation est \(\omega \approx 1.885 \times 10^{10}\) rad/s et le nombre d'onde est \(k \approx 62.83\) rad/m.
A vous de jouer

Si la fréquence était de 1 GHz, que vaudrait le nombre d'onde \(k\) (en rad/m) ?

Question 2 : Déterminer la densité de puissance moyenne \(\langle S \rangle\) à \(r=10\) m.

Principe

Le principe fondamental ici est la conservation de l'énergie. La puissance totale émise par l'antenne ne se perd pas mais se distribue sur une surface de plus en plus grande à mesure que l'onde se propage. Pour une onde sphérique, cette surface est celle d'une sphère de rayon \(r\).

Mini-Cours

Le vecteur de PoyntingLe vecteur de Poynting représente la densité de flux d'énergie (puissance par unité de surface) d'un champ électromagnétique. \(\vec{S} = \vec{E} \times \vec{H}\) décrit le flux d'énergie instantané de l'onde. Sa moyenne temporelle, \(\langle \vec{S} \rangle\), représente la densité de puissance moyenne. Pour une source isotrope, cette puissance se répartit uniformément sur une sphère, d'où la décroissance de l'intensité en \(1/r^2\).

Remarque Pédagogique

Imaginez que vous peignez une sphère avec une quantité fixe de peinture. Plus la sphère est grande, plus la couche de peinture sera fine. C'est exactement la même idée pour la puissance : la même "quantité" de puissance totale se répartit sur une surface sphérique plus grande, donc la puissance par m² diminue.

Normes

Les normes de sécurité en matière d'exposition aux champs électromagnétiques (comme celles de l'ICNIRP ou de la FCC) fixent des limites maximales pour la densité de puissance \(\langle S \rangle\) à laquelle le public peut être exposé. Calculer \(\langle S \rangle\) est donc une étape clé dans l'évaluation de la conformité d'un émetteur.

Formule(s)
\[ \langle S \rangle = \frac{P_{\text{tot}}}{A_{\text{sphère}}} = \frac{P_{\text{tot}}}{4\pi r^2} \]
Hypothèses

On suppose que la source est parfaitement isotrope (elle rayonne de la même manière dans toutes les directions) et qu'il n'y a aucune perte d'énergie dans le milieu (vide parfait). Dans la réalité, les antennes ont des diagrammes de rayonnement qui privilégient certaines directions.

Donnée(s)

Les données nécessaires pour ce calcul sont extraites de l'énoncé de l'exercice.

ParamètreSymboleValeurUnité
Puissance totale rayonnée\(P_{\text{tot}}\)100W
Distance d'observation\(r\)10m
Astuces

Pour les calculs rapides, retenez que \(4\pi \approx 12.57\). Ainsi, \(\langle S \rangle \approx P_{\text{tot}} / (12.57 \times r^2)\). Pour \(r=10\) m, \(\langle S \rangle \approx 100 / 1257 \approx 0.08\) W/m², ce qui est une excellente estimation.

Schéma (Avant les calculs)
Surface A = 4πr²P_tot⟨S⟩
Calcul(s)

Calcul de la densité de puissance

\[ \begin{aligned} \langle S \rangle &= \frac{P_{\text{tot}}}{4\pi r^2} \\ &= \frac{100 \text{ W}}{4\pi (10 \text{ m})^2} \\ &= \frac{100}{400\pi} \text{ W/m}^2 \\ &= \frac{1}{4\pi} \text{ W/m}^2 \\ &\approx 0.0796 \text{ W/m}^2 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Graphique de la décroissance en 1/r²⟨S⟩r⟨S⟩ ∝ 1/r²10m0.08
Réflexions

Une densité de puissance de 79.6 mW/m² est relativement faible. À titre de comparaison, la densité de puissance du rayonnement solaire au niveau de la mer est d'environ 1000 W/m². Cela montre à quel point l'énergie d'une source modeste se dilue rapidement dans l'espace.

Points de vigilance

L'erreur classique est d'oublier de mettre le rayon \(r\) au carré dans la formule de la surface de la sphère. L'atténuation de la puissance se fait en \(1/r^2\), et non en \(1/r\).

Points à retenir

La loi en \(1/r^2\) est fondamentale : chaque fois que vous doublez la distance à la source, la densité de puissance est divisée par \(2^2=4\). C'est la loi de l'inverse du carré, qui s'applique aussi en gravitation et en optique.

Le saviez-vous ?

Les sondes spatiales lointaines comme Voyager 1 communiquent avec la Terre avec des émetteurs d'environ 20 W. À sa distance actuelle, la densité de puissance reçue sur Terre est des milliards de milliards de fois plus faible qu'un murmure, nécessitant d'immenses antennes (le Deep Space Network) pour être captée.

FAQ
Résultat Final
La densité de puissance moyenne à 10 mètres est \(\langle S \rangle \approx 0.0796\) W/m².
A vous de jouer

Si la distance était de 20 m (le double), que vaudrait la densité de puissance (en W/m²) ?

Question 3 : Calculer l'amplitude \(E_0\) du champ électrique à \(r=10\) m.

Principe

L'énergie transportée par l'onde, quantifiée par la densité de puissance \(\langle S \rangle\), est stockée dans les oscillations des champs électrique et magnétique. Il existe donc une relation directe entre l'intensité de ces champs et la puissance qu'ils transportent.

Mini-Cours

La densité de puissance moyenne d'une onde plane dans le vide est \(\langle S \rangle = \frac{1}{2} \text{Re}(\vec{E} \times \vec{H}^*)\). Pour une onde plane où \(\vec{E}\) et \(\vec{H}\) sont perpendiculaires et liés par \(\eta_0\), cela se simplifie en \(\langle S \rangle = E_0^2 / (2\eta_0)\). Cette relation reste une excellente approximation pour une onde sphérique en champ lointain.

Remarque Pédagogique

Voyez le champ électrique \(E_0\) comme la "cause" et la densité de puissance \(\langle S \rangle\) comme "l'effet". Plus le champ électrique oscille avec une grande amplitude, plus il transporte d'énergie. La formule permet de passer de l'un à l'autre via l'impédance du milieu, \(\eta_0\), qui joue le rôle d'une "résistance" à la propagation.

Normes

Les normes de sécurité (ICNIRP, etc.) spécifient également des niveaux de référence pour l'amplitude du champ électrique (en V/m), en plus de la densité de puissance. Ces valeurs sont équivalentes via la formule de cette question.

Formule(s)

Relation Puissance-Champ

\[ \langle S \rangle = \frac{E_0^2}{2\eta_0} \]

Formule de l'amplitude du champ

\[ E_0 = \sqrt{2 \cdot \eta_0 \cdot \langle S \rangle} \]
Hypothèses

On se place en "champ lointain", c'est-à-dire à une distance de la source suffisamment grande (\(r \gg \lambda\)) pour que l'onde puisse être considérée localement comme une onde plane. À 10 m, avec \(\lambda=0.1\) m, cette condition est largement remplie.

Donnée(s)

Nous utilisons le résultat de la densité de puissance calculée à la question 2, ainsi qu'une constante de l'énoncé.

ParamètreSymboleValeurUnité
Densité de puissance\(\langle S \rangle\)0.0796W/m²
Impédance du vide\(\eta_0\)377\(\Omega\)
Schéma (Avant les calculs)
Trièdre E, H, Sz (S)y (E)x (H)Plan (y,z)Plan (x,z)
Calcul(s)

Calcul de l'amplitude du champ électrique

\[ \begin{aligned} E_0 &= \sqrt{2 \cdot \eta_0 \cdot \langle S \rangle} \\ &= \sqrt{2 \times 377 \, \Omega \times 0.0796 \text{ W/m}^2} \\ &= \sqrt{60.0064} \, \text{V/m} \\ &\approx 7.75 \text{ V/m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Relation quadratique⟨S⟩ ≈ 0.08E₀ ≈ 7.75S ∝ E₀²
Réflexions

Une amplitude de 7.75 V/m est un champ d'intensité modérée. C'est bien supérieur aux champs ambiants des stations radio FM lointaines (souvent en mV/m), mais bien inférieur à ce qu'on peut trouver à proximité immédiate d'un émetteur puissant.

Points de vigilance

Attention à ne pas oublier le facteur 2 dans la formule \(E_0 = \sqrt{2 \eta_0 \langle S \rangle}\). Il provient du fait que \(E_0\) est l'amplitude (valeur de crête) et que l'on calcule une puissance moyenne sur une période.

Points à retenir

Retenez que la puissance est proportionnelle au carré du champ (\(P \propto E^2\)). Par conséquent, le champ est proportionnel à la racine carrée de la puissance (\(E \propto \sqrt{P}\)). C'est une relation fondamentale en physique des ondes.

Le saviez-vous ?

Le premier récepteur radio de l'histoire, le cohéreur de Branly, ne détectait pas directement la tension du champ électrique, mais devenait conducteur en sa présence. Il ne mesurait pas l'amplitude mais signalait simplement la présence d'une onde suffisamment intense.

FAQ
Résultat Final
L'amplitude du champ électrique à 10 mètres est \(E_0 \approx 7.75\) V/m.
A vous de jouer

Si la densité de puissance était de 1 W/m², quelle serait l'amplitude du champ E (en V/m) ?

Question 4 : En déduire l'amplitude \(H_0\) du champ magnétique à \(r=10\) m.

Principe

Dans une onde électromagnétique, les champs électrique \(\vec{E}\) et magnétique \(\vec{H}\) sont intrinsèquement liés. L'un ne peut exister sans l'autre, et leurs amplitudes sont maintenues dans un rapport constant qui est déterminé par les propriétés du milieu de propagation.

Mini-Cours

Les équations de Maxwell dans le vide impliquent que pour une onde plane (ou une bonne approximation en champ lointain), les champs \(\vec{E}\) et \(\vec{H}\) sont orthogonaux entre eux et orthogonaux à la direction de propagation. Leurs modules sont liés par le rapport \(E/H = \eta_0 = \sqrt{\mu_0 / \epsilon_0}\), l'impédance caractéristique du vide.

Remarque Pédagogique

Pensez à \(\eta_0\) comme à une "loi d'Ohm pour les ondes". De la même manière que \(U = RI\) lie la tension et le courant dans un circuit, \(E = \eta_0 H\) lie le "voltage par mètre" (E) et "l'ampérage par mètre" (H) dans une onde.

Normes

Les normes de sécurité spécifient également des limites pour l'amplitude du champ magnétique (en A/m). La relation \(E/H = \eta_0\) garantit que si la limite pour \(E\) est respectée, celle pour \(H\) le sera aussi.

Formule(s)
\[ \frac{E_0}{H_0} = \eta_0 \quad \Rightarrow \quad H_0 = \frac{E_0}{\eta_0} \]
Hypothèses

Comme pour la question 3, cette relation simple n'est valable qu'en champ lointain, où l'onde a un caractère d'onde plane localement.

Donnée(s)

Cette étape utilise l'amplitude du champ électrique calculée à la question 3 et l'impédance du vide fournie dans l'énoncé.

ParamètreSymboleValeurUnité
Amplitude champ E\(E_0\)7.75V/m
Impédance du vide\(\eta_0\)377\(\Omega\)
Astuces

Pour une estimation rapide, on peut utiliser \(\eta_0 \approx 120\pi \approx 377 \, \Omega\). Ainsi \(H_0 \approx E_0 / 377\). Si \(E_0 \approx 7.75\), \(H_0 \approx 7.75/377 \approx 0.02\) A/m.

Schéma (Avant les calculs)
EHη₀
Calcul(s)

Calcul de l'amplitude du champ magnétique

\[ \begin{aligned} H_0 &= \frac{E_0}{\eta_0} \\ &= \frac{7.75 \text{ V/m}}{377 \, \Omega} \\ &\approx 0.02055 \text{ A/m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Amplitudes RelativesE₀7.75V/mH₀(Échelles non-respectées pour la visibilité)
Réflexions

Une amplitude de 20.6 mA/m est un champ magnétique très faible. À titre de comparaison, le champ magnétique terrestre statique est d'environ 40 A/m, soit 2000 fois plus intense (mais il est statique et non oscillant à 3 GHz).

Points de vigilance

Ne pas inverser la formule ! L'impédance a les dimensions d'une résistance (Volts/Ampères), donc \(\eta_0 = E/H\). Une erreur courante est de calculer \(H_0 = E_0 \times \eta_0\).

Points à retenir

Le rapport \(E/H = \eta_0\) est une propriété fondamentale de la propagation des ondes EM dans le vide. Le champ électrique (en V/m) est toujours environ 377 fois plus grand numériquement que le champ magnétique (en A/m).

Le saviez-vous ?

L'impédance du vide, \(\eta_0\), peut être exprimée uniquement à partir de constantes fondamentales : la vitesse de la lumière \(c\) et la perméabilité magnétique du vide \(\mu_0\) (qui vaut \(4\pi \times 10^{-7}\) H/m par définition). On a \(\eta_0 = \mu_0 c\).

FAQ
Résultat Final
L'amplitude du champ magnétique à 10 mètres est \(H_0 \approx 0.0206\) A/m (ou 20.6 mA/m).
A vous de jouer

Si le champ électrique était de 1 V/m, que vaudrait le champ magnétique (en mA/m) ?

Question 5 : Donner l'expression complète du champ électrique instantané \(\vec{E}(r, t)\).

Principe

L'objectif est de synthétiser tous les résultats précédents (pulsation, nombre d'onde, amplitude) en une seule expression mathématique qui décrit entièrement le champ électrique en tout point \(r\) et à tout instant \(t\).

Mini-Cours

L'expression d'une onde progressive harmonique (sinusoïdale) combine une amplitude, une dépendance temporelle (\(\cos(\omega t)\)) et une dépendance spatiale (\(\cos(-kr)\)). Pour une onde sphérique, l'amplitude elle-même dépend de la distance (\(1/r\)) pour assurer la conservation de l'énergie. La nature vectorielle est donnée par la direction de polarisation.

Remarque Pédagogique

Pensez à cette équation finale comme la "carte d'identité" complète de l'onde. Elle nous dit tout : sa direction de propagation (signe de \(kr\)), sa vitesse de propagation (\(c=\omega/k\)), comment son énergie diminue avec la distance (terme \(1/r\)), à quelle vitesse elle oscille (\(\omega\)), et dans quelle direction le champ électrique vibre (\(\vec{u}_\theta\)).

Normes

Les modèles de propagation des ondes, comme celui-ci, sont à la base des normes de télécommunication (par exemple, pour calculer les budgets de liaison dans les systèmes sans fil) et des normes de compatibilité électromagnétique (CEM) pour prédire les champs rayonnés par un appareil.

Formule(s)

Forme générale de l'onde

\[ \vec{E}(r, t) = E_0(r) \cos(\omega t - kr + \phi_0) \vec{u}_{\text{polarisation}} \]

Amplitude en fonction de r

\[ E_0(r) = \frac{A}{r} \]

Calcul de la constante d'amplitude A

\[ A = E_0(r_0) \cdot r_0 \]
Hypothèses

On suppose que la phase à l'origine est nulle (\(\phi_0=0\)) pour simplifier l'expression. On suppose également une polarisation rectiligne simple, bien que des polarisations plus complexes (circulaires, elliptiques) existent. L'onde est considérée comme se propageant dans un espace libre, sans réflexions ni obstacles.

Donnée(s)

Nous rassemblons ici les résultats calculés dans les questions précédentes, nécessaires pour cette synthèse finale.

ParamètreSymboleValeurUnité
Amplitude E à \(r_0=10\,\text{m}\)\(E_0(r_0)\)7.75V/m
Pulsation\(\omega\)\(1.885 \times 10^{10}\)rad/s
Nombre d'onde\(k\)62.83rad/m
Polarisation\(\vec{u}_{\text{pol}}\)\(\vec{u}_\theta\)
Astuces

Pour construire l'expression, travaillez de l'intérieur vers l'extérieur :
1. Commencez par la phase : \((\omega t - kr)\).
2. Appliquez la fonction sinusoïdale : \(\cos(\omega t - kr)\).
3. Ajoutez l'amplitude spatiale : \(\frac{A}{r} \cos(\omega t - kr)\).
4. Ajoutez la direction vectorielle : \(\frac{A}{r} \cos(\omega t - kr) \vec{u}_\theta\).

Schéma (Avant les calculs)
Front d'ondePu_ru_θ (E)u_φ (H)
Calcul(s)

Étape 1 : Calcul de la constante d'amplitude A

\[ \begin{aligned} A &= E_0(r_0) \times r_0 \\ &= 7.75 \text{ V/m} \times 10 \text{ m} \\ &= 77.5 \text{ V} \end{aligned} \]

Étape 2 : Assemblage de l'expression finale

\[ \vec{E}(r, t) = \frac{77.5}{r} \cos(1.885 \times 10^{10} t - 62.83 r) \vec{u}_\theta \]
Schéma (Après les calculs)
E(r)rEnveloppe A/r
Réflexions

Cette expression est une solution des équations de Maxwell dans le vide, en coordonnées sphériques. Elle décrit un champ qui oscille dans le temps (terme en \(\omega t\)), se propage vers l'extérieur (signe '-' devant \(kr\)), dont l'amplitude diminue en \(1/r\), et qui est polarisé dans la direction \(\vec{u}_\theta\). C'est une description complète du phénomène physique.

Points de vigilance

Assurez-vous que l'amplitude est bien en \(1/r\). Ne mettez pas directement la valeur \(E_0=7.75\) V/m dans le cosinus, car cette valeur n'est valable qu'à \(r=10\) m. L'amplitude doit dépendre de \(r\). De plus, ne confondez pas la constante \(A\) (en Volts) avec l'amplitude \(E_0(r)\) (en V/m).

Points à retenir

La structure \(\frac{A}{r} \cos(\omega t - kr)\) est la signature d'une onde sphérique scalaire sortante. L'ajout du vecteur de polarisation \(\vec{u}_\theta\) en fait une onde vectorielle complète.

Le saviez-vous ?

Bien que nous ayons utilisé une expression en cosinus, la notation complexe \(E(r,t) = \frac{A}{r} e^{j(\omega t - kr)}\) est souvent préférée par les ingénieurs. Elle simplifie énormément les calculs impliquant des déphasages et des interférences, la partie réelle étant implicitement le champ physique.

FAQ
Résultat Final
L'expression du champ électrique est : \(\vec{E}(r, t) = \frac{77.5}{r} \cos(1.885 \times 10^{10} t - 62.83 r) \vec{u}_\theta \, (\text{V/m})\).
A vous de jouer

Quelle est l'amplitude du champ (en V/m) à une distance de 100 m ?


Outil Interactif : Simulateur d'Onde Sphérique

Utilisez les curseurs pour faire varier la puissance de la source et la distance d'observation. Observez comment la densité de puissance et l'amplitude du champ électrique sont affectées. Le graphique montre la décroissance du champ électrique avec la distance.

Paramètres d'Entrée
100 W
10 m
Résultats Clés
Densité de Puissance (\(\langle S \rangle\)) - W/m²
Amplitude Champ E (\(E_0\)) - V/m

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Comment l'amplitude du champ électrique d'une onde sphérique idéale varie-t-elle avec la distance \(r\) à la source ?

  • Elle diminue en \(1/r^2\).
  • Elle diminue en \(1/r\).

2. Si l'on double la distance à une source isotrope, par quel facteur la densité de puissance est-elle modifiée ?

  • Elle est divisée par 2.
  • Elle est multipliée par 2.

3. Quelle est la valeur approximative de l'impédance caractéristique du vide (\(\eta_0\)) ?

  • \(50 \, \Omega\)

4. Le vecteur de Poynting représente :

  • La fréquence de l'onde.

5. Pour une onde sphérique, les surfaces de phase constante sont...

  • Des cylindres coaxiaux.

Glossaire

Antenne isotrope
Une source d'onde ponctuelle théorique qui rayonne la même intensité de radiation dans toutes les directions. C'est une référence idéale pour caractériser les antennes réelles.
Impédance du vide (\(\eta_0\))
Le rapport entre l'amplitude du champ électrique et celle du champ magnétique d'une onde électromagnétique se propageant dans le vide. Elle vaut environ 377 \(\Omega\).
Vecteur de Poynting (\(\vec{S}\))
Un vecteur dont le module représente la puissance par unité de surface (densité de puissance) transportée par l'onde, et dont la direction indique le sens de propagation de l'énergie.
Onde sphérique
Une onde émise par une source ponctuelle, dont les fronts d'onde (surfaces de phase constante) sont des sphères centrées sur la source.
Exercice : Propagation des Ondes Sphériques

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Calcul de la portée d’un radar
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Exercice : Calcul de la Portée Maximale d'un Radar Calcul de la Portée Maximale d'un Radar de Surveillance Contexte : Les systèmes RadarAcronyme de "Radio Detection and Ranging". Système utilisant des ondes radio pour détecter la présence, la direction, la distance...

Rayonnement d’un Dipôle Oscillant
Rayonnement d’un Dipôle Oscillant

Exercice : Rayonnement d’un Dipôle Oscillant Rayonnement d’un Dipôle Oscillant Contexte : Le dipôle oscillantSource électromagnétique la plus simple, modélisée par un segment de courant électrique de longueur infinitésimale. C'est le bloc de construction des...

Force électromotrice induite dans un circuit
Force électromotrice induite dans un circuit

Force Électromotrice Induite dans un Circuit Force Électromotrice Induite dans un Circuit Contexte : L'Induction Électromagnétique. L'un des principes fondamentaux de l'électromagnétisme est l'induction : un champ magnétique variable peut créer un courant électrique...

Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur
Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur

Exercice : Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur Théorème d’Ampère autour d’un Conducteur Contexte : Le Théorème d’AmpèreLoi fondamentale de l'électromagnétisme qui relie le champ magnétique à la source de courant électrique qui le crée.. Cet exercice a pour but...

Fréquences de Résonance d’une Cavité
Fréquences de Résonance d’une Cavité

Fréquences de Résonance d’une Cavité Électromagnétique Fréquences de Résonance d’une Cavité Électromagnétique Contexte : L'étude de la cavité résonnanteUne structure métallique creuse qui confine les ondes électromagnétiques, permettant la formation d'ondes...

Orientation Satellite via Dipôle Magnétique
Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

Exercice : Orientation Satellite via Dipôle Magnétique Contrôle d'Orientation d'un Satellite par Dipôle Magnétique Contexte : Le contrôle d'attitude des satellites via le magnétismeUtilisation des champs magnétiques pour contrôler l'orientation (attitude) d'un objet...

L’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse
L’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse

Calcul de l’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse Calcul de l’Angle de Réfraction d’une Onde Lumineuse Contexte : La réfractionChangement de direction que subit une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre où sa vitesse de propagation est différente. est un...

Propagation d’une onde électromagnétique plane
Propagation d’une onde électromagnétique plane

Exercice : Propagation d'une Onde Électromagnétique Plane Propagation d'une Onde Électromagnétique Plane dans le Vide Contexte : L'onde électromagnétique planeUne onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, et où les champs E et B sont uniformes sur ces plans....

Force Magnétique sur une Particule Chargée
Force Magnétique sur une Particule Chargée

Exercice : Force Magnétique sur une Particule Chargée Force Magnétique sur une Particule Chargée Contexte : La Force de LorentzForce exercée sur une particule chargée se déplaçant dans un champ électromagnétique. Elle combine une composante électrique et une...

Calcul de la vitesse de groupe d’une onde
Calcul de la vitesse de groupe d’une onde

Calcul de la Vitesse de Groupe d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Groupe d'une Onde Électromagnétique Contexte : La vitesse de groupeVitesse de propagation de l'enveloppe d'un paquet d'ondes, qui correspond à la vitesse de l'énergie ou de...

Force Électrostatique entre Deux Charges
Force Électrostatique entre Deux Charges

Exercice : Force Électrostatique entre Deux Charges Calcul de la Force Électrostatique entre Deux Charges Contexte : L'Interaction Fondamentale de l'Électromagnétisme. Au cœur de l'électromagnétisme se trouve une loi fondamentale qui décrit comment les objets chargés...

Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure
Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure

Exercice : Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure dans un Guide d'Ondes Contexte : La propagation des ondes électromagnétiques en milieu guidé. Contrairement aux ondes se propageant dans l'espace libre (comme les ondes...

Force sur une Charge dans un Champ Électrique
Force sur une Charge dans un Champ Électrique

Exercice : Force sur une Charge dans un Champ Électrique Force sur une Charge dans un Champ Électrique Contexte : L'interaction entre les charges et les champs. En électromagnétisme, un champ électriqueRégion de l'espace où une charge électrique subirait une force. Il...

Champ Électrique dans un Condensateur
Champ Électrique dans un Condensateur

Exercice : Champ Électrique dans un Condensateur Plan Champ Électrique dans un Condensateur Plan Contexte : Le condensateur planUn composant électronique formé de deux plaques conductrices (armatures) en regard, séparées par un isolant (diélectrique), capable de...

Calcul de l’amplitude de l’onde réfléchie
Calcul de l’amplitude de l’onde réfléchie

Exercice : Amplitude de l'Onde Réfléchie Calcul de l’Amplitude d’une Onde Électromagnétique Réfléchie Contexte : La réflexion d'une onde électromagnétiquePhénomène qui se produit lorsqu'une onde frappe l'interface entre deux milieux et rebondit dans son milieu...

Champ Magnétique en Milieu Industriel
Champ Magnétique en Milieu Industriel

Exercice : Champ Magnétique d'un Câble Coaxial Industriel Étude du Champ Magnétique en Milieu Industriel Contexte : Le câble coaxialUn type de câble composé d'un conducteur central (âme) entouré d'un isolant, d'un blindage conducteur (gaine) et d'une gaine extérieure....

Analyse de la Polarisation Lumineuse
Analyse de la Polarisation Lumineuse

Exercice : Analyse de la Polarisation Lumineuse Analyse de la Polarisation Lumineuse d'une Onde Électromagnétique Contexte : L'onde électromagnétique planeUne onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, perpendiculaires à la direction de propagation. C'est une...

Calcul de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde
Calcul de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde

Exercice : Énergie dans un Solénoïde Calcul de l’Énergie Magnétique Stockée dans un Solénoïde Contexte : L'Inductance et le Stockage d'Énergie. Les solénoïdes sont des composants électromagnétiques fondamentaux, constitués d'un fil conducteur enroulé en hélice....

Champ Magnétique Variable sur une Plaque
Champ Magnétique Variable sur une Plaque

Exercice : Courants de Foucault dans une Plaque Champ Magnétique Variable sur une Plaque Contexte : L'induction électromagnétique. Cet exercice porte sur un phénomène fondamental en électromagnétisme : l'induction. Lorsqu'une plaque conductrice est soumise à un champ...

Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée
Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée

Exercice : Inductance et Énergie d'un Solénoïde Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde Contexte : Le solénoïdeUn enroulement de fil conducteur en forme d'hélice, conçu pour créer un champ magnétique uniforme dans son intérieur lorsqu'il est...

Calcul de la constante k de Coulomb
Calcul de la constante k de Coulomb

Exercice : Calcul de la Constante de Coulomb (k) Calcul de la Constante de Coulomb (k) Contexte : L'étude de la Force ÉlectrostatiqueLa force d'attraction ou de répulsion qui s'exerce entre deux particules chargées électriquement.. La loi de Coulomb est un principe...

Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique
Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Exercice : Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Contexte : L'étude de la conduction électriquePhénomène de déplacement de porteurs de charge électrique (électrons, ions) au sein d'un matériau, sous l'effet...

Interactions Magnétiques avec le Césium-137
Interactions Magnétiques avec le Césium-137

Calcul d'Interaction Magnétique : Le Césium-137 Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Contexte : Le Moment Magnétique NucléairePropriété d'un noyau atomique qui le fait se comporter comme un petit aimant, due au spin des protons et des neutrons qui le...

Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde
Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde

Exercice : Vitesse de Phase d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde Électromagnétique Contexte : Les Ondes ÉlectromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui...

Puissance Transportée par un Câble Coaxial
Puissance Transportée par un Câble Coaxial

Exercice : Puissance Transportée par un Câble Coaxial Puissance Transportée par un Câble Coaxial Contexte : Le Câble CoaxialUn type de câble électrique utilisé pour transmettre des signaux à haute fréquence. Il se compose d'un conducteur central, d'un isolant, d'un...

Calcul de la Densité Surfacique de Courant
Calcul de la Densité Surfacique de Courant

Calcul de la Densité Surfacique de Courant Calcul de la Densité Surfacique de Courant Contexte : Le concept de nappe de courantIdéalisation d'un courant électrique circulant dans une surface infiniment mince. C'est un modèle clé pour analyser les champs magnétiques à...

Calcul du vecteur de Poynting
Calcul du vecteur de Poynting

Exercice : Vecteur de Poynting Calcul du Vecteur de Poynting Contexte : Le vecteur de PoyntingLe vecteur de Poynting représente la densité de flux d'énergie (la puissance par unité de surface) d'un champ électromagnétique.. Quand on pense à l'énergie électrique, on...

Calcul de la densité moyenne d’énergie
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Exercice : Densité d'Énergie Électromagnétique Calcul de la Densité Moyenne d'Énergie Contexte : L'onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l'espace et transportent de l'énergie. La lumière est un...

Densité Énergétique en Électromagnétisme
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Exercice : Densité Énergétique en Électromagnétisme Densité Énergétique dans un Condensateur Plan Contexte : L'énergie stockée par les champs électromagnétiquesLes champs électrique et magnétique sont des régions de l'espace où des forces s'exercent sur les charges...

Calcul de la portée d’un radar
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Exercice : Calcul de la Portée Maximale d'un Radar Calcul de la Portée Maximale d'un Radar de Surveillance Contexte : Les systèmes RadarAcronyme de "Radio Detection and Ranging". Système utilisant des ondes radio pour détecter la présence, la direction, la distance...

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