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 radio), les signaux à très haute fréquence (micro-ondes) sont souvent transportés à l'intérieur de structures métalliques creuses appelées guides d'ondesUne structure métallique creuse utilisée pour guider la propagation des ondes électromagnétiques à haute fréquence.. Ces structures agissent comme des "tuyaux" pour les ondes, les confinant et réduisant les pertes. Cependant, la propagation dans un guide n'est pas triviale : elle dépend fortement de la fréquence du signal et des dimensions du guide. Cet exercice explore deux concepts fondamentaux de cette propagation : la fréquence de coupure et la vitesse de phase.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra pourquoi les guides d'ondes agissent comme des filtres passe-haut et comment les dimensions physiques d'un composant peuvent radicalement altérer les propriétés d'une onde, comme sa vitesse de propagation apparente.


Objectifs Pédagogiques

  • Calculer la fréquence de coupure d'un mode de propagation donné dans un guide d'ondes rectangulaire.
  • Comprendre la condition de propagation d'une onde dans un guide.
  • Calculer la vitesse de phase et la longueur d'onde guidée.
  • Analyser le caractère dispersif de la propagation en milieu guidé.

Données de l'étude

On étudie un guide d'ondes rectangulaire standard de type WR-90, rempli d'air (considéré comme le vide). On souhaite y faire propager un signal sinusoïdal.

Schéma du Guide d'Ondes
Guide d'ondes rectangulaire et mode TE₁₀
E a b z

Les informations suivantes résument les caractéristiques techniques du composant étudié, telles que définies dans l'énoncé de l'exercice.

Fiche Technique
Caractéristique Valeur
Type de guide WR-90 (Rectangulaire)
Milieu de propagation Air (assimilé au vide)
Mode de propagation étudié Mode fondamental TE₁₀

Les valeurs numériques ci-dessous sont les données d'entrée pour la résolution des calculs, issues des spécifications du guide et des constantes physiques.

Paramètres Physiques et Géométriques
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Grande dimension du guide \(a\) 2.286 cm
Petite dimension du guide \(b\) 1.016 cm
Fréquence du signal \(f\) 10 GHz
Vitesse de la lumière dans le vide \(c\) \(3 \times 10^8\) m/s

Questions à traiter

  1. Calculer la fréquence de coupure \(f_c\) pour le mode fondamental TE₁₀.
  2. Un signal de 5 GHz peut-il se propager dans ce guide ? Justifier.
  3. Calculer la vitesse de phase \(v_p\) du signal à 10 GHz dans le guide.
  4. Calculer la longueur d'onde dans le guide, \(\lambda_g\).
  5. Comparer la vitesse de phase \(v_p\) à la vitesse de la lumière \(c\). Commenter ce résultat a priori surprenant.

Les bases sur les Guides d'Ondes

Un guide d'ondes contraint les ondes électromagnétiques à se propager selon des schémas de champ spécifiques, appelés "modes". Chaque mode ne peut exister et se propager que si la fréquence de l'onde est supérieure à une fréquence minimale, propre à ce mode : la fréquence de coupure.

1. Fréquence de Coupure (\(f_c\))
C'est la fréquence minimale pour qu'un mode (m, n) puisse se propager. En dessous de \(f_c\), l'onde est dite évanescente et est très rapidement atténuée. Pour un guide rectangulaire rempli d'un milieu de permittivité \(\varepsilon\) et perméabilité \(\mu\) : \[ f_{c,mn} = \frac{1}{2\sqrt{\mu\varepsilon}} \sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2} \] Le mode fondamental (celui avec la plus basse fréquence de coupure) est le mode TE₁₀ (\(m=1, n=0\)).

2. Vitesse de Phase (\(v_p\))
C'est la vitesse à laquelle la phase d'une onde sinusoïdale se propage le long du guide. Elle est toujours supérieure ou égale à la vitesse de la lumière dans le milieu de remplissage. \[ v_p = \frac{\omega}{k_z} = \frac{v}{\sqrt{1 - (f_c/f)^2}} \] où \(v = 1/\sqrt{\mu\varepsilon}\) est la vitesse de l'onde dans le milieu non borné. Pour l'air, \(v \approx c\).


Correction : Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure dans un Guide d'Ondes

Question 1 : Calculer la fréquence de coupure \(f_c\) pour le mode fondamental TE₁₀.

Principe (le concept physique)

La fréquence de coupure est la fréquence "seuil" en dessous de laquelle une onde ne peut pas se propager dans le guide. Elle est directement liée à la géométrie de la structure. Pour qu'une onde "entre" dans le guide, sa demi-longueur d'onde doit être plus petite que la plus grande dimension 'a' du guide. C'est une condition de résonance constructive.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Les conditions aux limites imposées par les parois parfaitement conductrices du guide (champ électrique tangentiel nul) quantifient les vecteurs d'onde possibles. Seuls certains "modes" de propagation discrets (TEmn, TMmn) sont autorisés. Chaque mode a sa propre fréquence de coupure, déterminée par les entiers m et n et les dimensions a et b. Le mode TE₁₀ est dit "fondamental" car il a la fréquence de coupure la plus basse de tous les modes possibles.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Retenez simplement que la fréquence de coupure est inversement proportionnelle à la taille du guide. Un guide plus grand laissera passer des fréquences plus basses (longueurs d'onde plus grandes), et vice-versa. C'est comme un tamis qui ne laisse passer que les particules plus petites qu'une certaine taille.

Normes (la référence réglementaire)

Les guides d'ondes sont standardisés. Par exemple, la désignation "WR-90" (Waveguide Rectangular) provient de la norme EIA (Electronic Industries Alliance). Le nombre 90 indique la largeur 'a' en centièmes de pouce (0.90 pouces), ce qui correspond bien à nos 2.286 cm.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Fréquence de coupure générale (milieu vide)

\[ f_{c,mn} = \frac{c}{2} \sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2} \]

Fréquence de coupure pour le mode TE₁₀ (\(m=1, n=0\))

\[ f_{c,10} = \frac{c}{2a} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le guide est rempli d'air, dont les propriétés électromagnétiques sont assimilées à celles du vide (\(v=c\)). Le guide est considéré comme ayant des parois parfaitement conductrices (pas de pertes).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
ParamètreSymboleValeurUnité
Grande dimension\(a\)2.286cm
Vitesse de la lumière\(c\)\(3 \times 10^8\)m/s
Astuces (Pour aller plus vite)

Pour un calcul mental rapide, utilisez \(c \approx 30 \text{ cm/GHz}\). La formule devient \(f_c \text{[GHz]} = 30 / (2 \times a \text{[cm]})\). Ici, \(30 / (2 \times 2.286) = 15 / 2.286 \approx 6.5\) GHz. C'est un excellent moyen de vérifier l'ordre de grandeur de votre résultat.

Schéma (Avant les calculs)
Condition de coupure pour le mode TE₁₀

L'onde se propage si sa demi-longueur d'onde dans le vide (λ₀/2) est inférieure à la largeur 'a'.

λ₀/2a
Calcul(s) (l'application numérique)

Conversion de la dimension 'a' en mètres

\[ \begin{aligned} a &= 2.286 \text{ cm} \\ &= 0.02286 \text{ m} \end{aligned} \]

Calcul de la fréquence de coupure

\[ \begin{aligned} f_{c,10} &= \frac{c}{2a} \\ &= \frac{3 \times 10^8 \text{ m/s}}{2 \times 0.02286 \text{ m}} \\ &= \frac{3 \times 10^8}{0.04572} \text{ Hz} \\ &\approx 6.56 \times 10^9 \text{ Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Comportement du guide d'ondes (Filtre Passe-Haut)
fTransmissionf_c = 6.56 GHzZone de Coupure (Onde bloquée)Zone de Propagation
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le résultat de 6.56 GHz signifie que ce guide d'ondes est conçu pour fonctionner efficacement pour des fréquences supérieures à cette valeur. La bande de fréquence recommandée pour le WR-90 est d'ailleurs de 8.2 à 12.4 GHz, ce qui est bien au-dessus de sa fréquence de coupure.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus commune est d'oublier de convertir les dimensions du guide (souvent données en cm ou mm) en mètres avant le calcul. Cela mène à une erreur d'un facteur 100 ! Une autre erreur est de confondre 'a' et 'b'. Pour le mode TE₁₀, c'est toujours la plus grande dimension 'a' qui compte.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La propagation n'est possible que si \(f > f_c\).
  • La fréquence de coupure du mode fondamental TE₁₀ ne dépend que de la plus grande dimension du guide : \(f_{c,10} = c/(2a)\).
  • Un guide d'ondes est un filtre passe-haut.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

L'étude théorique des guides d'ondes remonte à 1897 avec Lord Rayleigh, mais ils n'ont trouvé d'application pratique que dans les années 1930 avec le développement des radars, qui nécessitaient de transporter des signaux de très haute puissance à des fréquences de l'ordre du gigahertz.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La fréquence de coupure pour le mode fondamental TE₁₀ est d'environ 6.56 GHz.
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant par rapport a la question)

Quelle serait la fréquence de coupure (en GHz) d'un guide dont la dimension 'a' est de 4 cm ?

Question 2 : Un signal de 5 GHz peut-il se propager dans ce guide ? Justifier.

Principe

Une onde ne peut se propager dans un guide que si sa fréquence \(f\) est strictement supérieure à la fréquence de coupure \(f_c\) du mode considéré. Si \(f < f_c\), l'onde est atténuée et ne se propage pas sur une longue distance.

Mini-Cours

Lorsque \(f < f_c\), la constante de propagation \(\beta\) devient un nombre imaginaire pur. Le champ le long de l'axe de propagation (z) varie alors comme \(e^{-\alpha z}\), où \(\alpha\) est une constante d'atténuation. Cela signifie que l'amplitude de l'onde décroît exponentiellement rapidement avec la distance. L'onde ne se propage pas, elle est dite "évanescente".

Réflexions

La justification repose sur une simple comparaison numérique. Nous utilisons la fréquence de coupure calculée à la question 1 comme seuil de référence et nous la comparons à la fréquence du signal étudié.

  • Fréquence du signal : \(f = 5\) GHz
  • Fréquence de coupure : \(f_c = 6.56\) GHz

Puisque \(5 \text{ GHz} < 6.56 \text{ GHz}\), la condition de propagation n'est pas remplie.

Point de vigilance

Attention à ne pas conclure trop vite. La non-propagation dans le mode fondamental TE₁₀ implique la non-propagation pour tous les autres modes, car leurs fréquences de coupure sont encore plus élevées. La conclusion est donc générale pour ce guide.

Points à retenir

Un guide d'ondes se comporte comme un filtre passe-haut naturel. Seules les fréquences au-dessus de la fréquence de coupure "passent". C'est une propriété fondamentale et essentielle de ces composants.

Résultat Final
Non, un signal de 5 GHz ne peut pas se propager dans ce guide car sa fréquence est inférieure à la fréquence de coupure de 6.56 GHz. L'onde sera évanescente.

Question 3 : Calculer la vitesse de phase \(v_p\) du signal à 10 GHz.

Principe (le concept physique)

À l'intérieur du guide, l'onde ne se propage pas en ligne droite mais ricoche sur les parois. La vitesse de phase est la vitesse apparente de ces "vagues" obliques le long de l'axe du guide. Comme l'onde parcourt un chemin en zigzag, le front d'onde semble se déplacer plus vite le long de l'axe que l'onde elle-même.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La constante de propagation \(\beta\) (ou \(k_z\)) le long de l'axe z est donnée par \(\beta = k_0 \sqrt{1 - (f_c/f)^2}\), où \(k_0 = \omega/c\) est le nombre d'onde dans le vide. La vitesse de phase est définie comme \(v_p = \omega/\beta\). En substituant l'expression de \(\beta\), on retrouve la formule de \(v_p\). Cette dépendance de \(\beta\) (et donc de \(v_p\)) à la fréquence est la définition même d'un milieu dispersif.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Imaginez que vous marchez le long d'une plage. Les vagues arrivent sur la plage avec un certain angle. Si vous voulez rester sur la crête d'une même vague, vous devrez courir le long de la plage plus vite que la vitesse à laquelle la vague avance vers le rivage. Votre vitesse le long de la plage est la vitesse de phase.

Normes (la référence réglementaire)

Il n'y a pas de norme spécifique pour la valeur de la vitesse de phase, car c'est une conséquence physique directe de la géométrie et de la fréquence. Cependant, la connaissance de cette valeur est cruciale pour la conception de composants micro-ondes (comme des déphaseurs ou des coupleurs) dont les dimensions physiques dépendent de la longueur d'onde guidée, elle-même liée à \(v_p\).

Formule(s) (l'outil mathématique)

Vitesse de phase dans un guide

\[ v_p = \frac{c}{\sqrt{1 - \left(\frac{f_c}{f}\right)^2}} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On reste dans le cadre d'un guide sans perte rempli de vide. La fréquence du signal (10 GHz) est supérieure à la fréquence de coupure (6.56 GHz), donc la propagation est possible et la racine carrée est définie sur un nombre réel positif.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
ParamètreSymboleValeurUnité
Fréquence du signal\(f\)10GHz
Fréquence de coupure\(f_c\)6.56GHz
Vitesse de la lumière\(c\)\(3 \times 10^8\)m/s
Astuces (Pour aller plus vite)

Notez que plus la fréquence \(f\) se rapproche de la fréquence de coupure \(f_c\), plus le dénominateur devient petit, et plus la vitesse de phase \(v_p\) devient grande. À l'inverse, pour une fréquence très élevée, \(f \gg f_c\), le rapport \((f_c/f)^2\) tend vers zéro et \(v_p\) tend vers \(c\).

Schéma (Avant les calculs)
Propagation en Zigzag et Vitesse de Phase

Le chemin réel de l'onde (vitesse c) est plus long que le déplacement axial (vitesse (v_p).

cv_p (axe z)
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la vitesse de phase

\[ \begin{aligned} v_p &= \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{1 - \left(\frac{6.56}{10}\right)^2}} \\ &= \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{1 - 0.656^2}} \\ &= \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{1 - 0.430336}} \\ &= \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{0.569664}} \\ &= \frac{3 \times 10^8}{0.75476} \\ &\approx 3.975 \times 10^8 \text{ m/s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Dispersion de la Vitesse de Phase

La vitesse de phase (normalisée par c) diminue lorsque la fréquence s'éloigne de la fréquence de coupure.

f/f_cv_p/c11v_p/c
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le résultat \(v_p \approx 3.98 \times 10^8\) m/s est supérieur à la vitesse de la lumière \(c\). Ce résultat, bien que contre-intuitif, est physiquement correct. Il ne viole aucune loi fondamentale car la vitesse de phase ne correspond pas à une vitesse de transport d'énergie ou d'information.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Assurez-vous que les deux fréquences \(f\) et \(f_c\) sont dans la même unité (ici, GHz) avant de faire le rapport. Vérifiez aussi que \(f > f_c\), sinon le terme sous la racine carrée devient négatif, ce qui signifie que l'onde est évanescente et que la notion de vitesse de phase n'a plus le même sens.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La vitesse de phase dans un guide est toujours supérieure ou égale à c (pour un guide rempli de vide).
  • Elle dépend de la fréquence : \(v_p(f)\). C'est un milieu dispersif.
  • \(v_p\) tend vers l'infini quand \(f\) tend vers \(f_c\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Certains métamatériaux peuvent présenter un indice de réfraction négatif. Dans de telles structures, la vitesse de phase et la vitesse de groupe peuvent être de sens opposé ! L'onde semble "reculer" alors que l'énergie avance.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La vitesse de phase du signal à 10 GHz dans le guide est d'environ \(3.98 \times 10^8\) m/s.
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant par rapport a la question)

Quelle serait la vitesse de phase (en \(10^8\) m/s) si la fréquence du signal était de 15 GHz ?

Question 4 : Calculer la longueur d'onde dans le guide, \(\lambda_g\).

Principe (le concept physique)

Tout comme la vitesse de phase est modifiée par le guidage, la longueur d'onde l'est aussi. La longueur d'onde guidée, \(\lambda_g\), est la distance physique entre deux points de même phase le long de l'axe de propagation. Puisque \(v_p = f \times \lambda_g\) et que \(v_p > c\), il s'ensuit que \(\lambda_g\) sera plus grande que la longueur d'onde dans le vide \(\lambda_0 = c/f\).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La relation entre le nombre d'onde dans le vide (\(k_0\)) et les nombres d'onde transverses (\(k_x, k_y\)) et longitudinal (\(\beta\)) est \(k_0^2 = k_x^2 + k_y^2 + \beta^2\). À la coupure, toute l'énergie est "transverse" et \(\beta=0\). Pour \(f > f_c\), une partie de l'énergie se propage, \(\beta\) devient réel. Comme \(\beta = 2\pi/\lambda_g\) et \(k_0 = 2\pi/\lambda_0\), cette relation lie directement les longueurs d'onde entre elles.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Le moyen le plus simple de s'en souvenir est la relation \(v_p = \lambda_g \times f\). Si vous savez que \(v_p\) augmente (par rapport à c), alors pour une fréquence \(f\) fixe, \(\lambda_g\) doit nécessairement augmenter aussi (par rapport à \(\lambda_0\)). La vitesse et la longueur d'onde "s'étirent" ensemble.

Normes (la référence réglementaire)

La longueur d'onde guidée \(\lambda_g\) est un paramètre de conception essentiel. De nombreux composants micro-ondes passifs, comme les filtres, les coupleurs directionnels ou les stubs d'adaptation, ont des dimensions qui sont des fractions de \(\lambda_g\) (par ex. \(\lambda_g/4\), \(\lambda_g/2\)). Un calcul précis de \(\lambda_g\) est donc impératif pour que ces composants fonctionnent à la bonne fréquence.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Relation via la vitesse de phase

\[ \lambda_g = \frac{v_p}{f} \]

Relation via la longueur d'onde dans le vide

\[ \lambda_g = \frac{\lambda_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{f_c}{f}\right)^2}} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Les hypothèses sont identiques à celles de la question précédente : guide sans perte, rempli de vide, et fréquence de travail supérieure à la fréquence de coupure.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
ParamètreSymboleValeurUnité
Fréquence du signal\(f\)10GHz
Fréquence de coupure\(f_c\)6.56GHz
Vitesse de la lumière\(c\)\(3 \times 10^8\)m/s
Astuces (Pour aller plus vite)

Le terme \(\sqrt{1 - (f_c/f)^2}\) a déjà été calculé à la question 3 (il valait 0.75476). Il n'y a pas besoin de le recalculer ! C'est une bonne pratique de noter les résultats intermédiaires.

Schéma (Avant les calculs)
Comparaison des longueurs d'onde
Onde dans le vide vs Onde guidéeλ₀λ_g
Calcul(s) (l'application numérique)

Étape 1 : Calcul de la longueur d'onde dans le vide (\(\lambda_0\))

\[ \begin{aligned} \lambda_0 &= \frac{c}{f} \\ &= \frac{3 \times 10^8 \text{ m/s}}{10 \times 10^9 \text{ Hz}} \\ &= 0.03 \text{ m} \\ &= 3 \text{ cm} \end{aligned} \]

Étape 2 : Calcul de la longueur d'onde guidée (\(\lambda_g\))

\[ \begin{aligned} \lambda_g &= \frac{\lambda_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{f_c}{f}\right)^2}} \\ &= \frac{0.03 \text{ m}}{0.75476} \\ &\approx 0.03975 \text{ m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Relation géométrique des longueurs d'onde

Les inverses des longueurs d'onde (\(\lambda_0, \lambda_g, \lambda_c\)) forment un triangle rectangle.

1/λ_g1/λ_c1/λ₀
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le fait que la longueur d'onde s'allonge dans le guide (\(\lambda_g > \lambda_0\)) est une conséquence directe du confinement. Les réflexions multiples sur les parois forcent un chemin de propagation effectif plus long, ce qui se traduit par une "dilatation" de la longueur d'onde observée le long de l'axe du guide.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas confondre \(\lambda_g\) et \(\lambda_0\). Dans tous les problèmes de guides d'ondes, \(\lambda_0\) est une référence théorique, mais la grandeur physique pertinente pour la conception de composants est toujours \(\lambda_g\). Utiliser \(\lambda_0\) à la place de \(\lambda_g\) est une erreur de conception majeure.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La longueur d'onde guidée est toujours plus grande que la longueur d'onde dans le vide : \(\lambda_g \ge \lambda_0\).
  • La relation est directe : \(\lambda_g = \lambda_0 \times (v_p/c)\).
  • Quand \(f \to f_c\), \(\lambda_g \to \infty\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

La notion de "guide d'ondes" n'est pas limitée à l'électromagnétisme. Les fibres optiques sont des guides d'ondes pour la lumière, et même les conduits de ventilation peuvent être vus comme des guides d'ondes acoustiques, avec des phénomènes de coupure pour les basses fréquences (sons graves).

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La longueur d'onde dans le guide est d'environ 3.98 cm.
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant par rapport a la question)

Pour ce même guide, quelle serait la longueur d'onde guidée (en cm) si la fréquence du signal était de 8 GHz ? (\(\lambda_0\) à 8 GHz est 3.75 cm)

Question 5 : Comparer la vitesse de phase \(v_p\) à \(c\). Commenter.

Principe

Il s'agit de comparer le résultat de la question 3 à la constante de la vitesse de la lumière et d'interpréter ce qui semble être un paradoxe physique.

Mini-Cours

Vitesse de phase vs Vitesse de groupe : La vitesse de phase supérieure à \(c\) ne viole pas la théorie de la relativité. En effet, l'information et l'énergie ne sont pas transportées à la vitesse de phase, mais à la vitesse de groupeVitesse à laquelle l'enveloppe d'une onde (et donc l'énergie et l'information) se propage. Elle est toujours inférieure ou égale à c. (\(v_g\)). Dans un guide d'ondes sans perte, on a la relation : \(v_p \times v_g = c^2\). Puisque \(v_p > c\), cela implique que \(v_g < c\), ce qui est cohérent avec la physique.

Réflexions

Nous avons calculé \(v_p \approx 3.98 \times 10^8\) m/s. La vitesse de la lumière est \(c = 3 \times 10^8\) m/s. On constate que \(v_p > c\). Ce résultat vient du fait que \(v_p\) est la vitesse de déplacement d'un plan de phase constant le long de l'axe de propagation, une vitesse qui peut être qualifiée de "géométrique" et non "matérielle".

Point de vigilance

Le piège principal est de confondre vitesse de phase et vitesse de propagation de l'énergie. Ne dites jamais qu'une information ou une particule se déplace à la vitesse \(v_p\). La vitesse qui a un sens physique pour le transport d'un signal est la vitesse de groupe \(v_g\), qui est toujours inférieure à \(c\).

Points à retenir
  • La vitesse de phase \(v_p\) dans un guide est supérieure ou égale à \(c\).
  • La vitesse de groupe \(v_g\) est inférieure ou égale à \(c\).
  • Le produit des deux est constant : \(v_p \cdot v_g = c^2\) (pour un guide vide).
  • Seule la vitesse de groupe \(v_g\) représente la vitesse de l'énergie.
Le saviez-vous ?

Le phénomène où la vitesse de phase dépend de la fréquence (\(v_p(f)\)) est appelé dispersion. C'est à cause de la dispersion dans les guides d'ondes qu'un signal complexe (composé de plusieurs fréquences) peut se déformer en se propageant, car ses différentes composantes fréquentielles ne voyagent pas à la même vitesse.

Résultat Final
La vitesse de phase (\(3.98 \times 10^8\) m/s) est supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce résultat n'est pas une violation des lois de la physique car la vitesse de phase ne représente pas la vitesse de transport de l'information.

Outil Interactif : Simulateur de Guide d'Ondes

Utilisez cet outil pour voir comment la dimension 'a' du guide et la fréquence du signal influencent la fréquence de coupure et la vitesse de phase.

Paramètres d'Entrée
2.29 cm
10.0 GHz
Résultats Clés
Fréquence de coupure \(f_c\) (GHz) -
Vitesse de phase \(v_p\) (\( \times 10^8\) m/s) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si on double la dimension 'a' d'un guide d'ondes rectangulaire, que devient sa fréquence de coupure \(f_c\) pour le mode TE₁₀ ?

2. Que se passe-t-il si la fréquence du signal est exactement égale à la fréquence de coupure (\(f = f_c\))?

3. La vitesse de groupe \(v_g\) dans un guide d'ondes (sans perte) est :

4. Le mode fondamental dans un guide d'ondes rectangulaire standard est :

5. À une fréquence très élevée (\(f \gg f_c\)), la vitesse de phase \(v_p\) tend vers :


Guide d'ondes
Structure métallique creuse utilisée pour guider la propagation des ondes électromagnétiques, typiquement dans le domaine des micro-ondes.
Fréquence de coupure (\(f_c\))
Fréquence minimale en dessous de laquelle un mode de propagation ne peut pas exister dans un guide d'ondes. Le guide agit comme un filtre passe-haut.
Vitesse de Phase (\(v_p\))
Vitesse à laquelle la phase d'une onde se propage le long de l'axe du guide. Elle peut être supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide.
Vitesse de Groupe (\(v_g\))
Vitesse de propagation de l'énergie ou de l'information d'une onde. Elle est toujours inférieure ou égale à la vitesse de la lumière dans le vide.
Mode TE (Transverse Électrique)
Mode de propagation où le champ électrique est entièrement perpendiculaire (transverse) à la direction de propagation, mais où une composante du champ magnétique existe dans cette direction.
Exercice : Vitesse de Phase et Fréquence de Coupure

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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....

Propagation des Ondes Sphériques
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...

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
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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
Calcul de la densité moyenne d’énergie

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
Densité Énergétique en Électromagnétisme

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...

Temps de Décharge d’un Condensateur
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Exercice : Temps de Décharge d’un Condensateur Temps de Décharge d'un Condensateur dans un Circuit RC Contexte : Le Circuit RCUn circuit électrique composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Il est fondamental pour créer des filtres, des minuteries ou des...

Potentiel Vecteur d’un Courant Continu
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Exercice : Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Calcul du Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Contexte : Le Potentiel VecteurEn magnétostatique, le potentiel vecteur \(\vec{A}\) est un champ de vecteurs dont le rotationnel donne le champ magnétique \(\vec{B}\).....

Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde
Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde

Exercice : Polarisation Linéaire d'une Onde Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde Contexte : L'étude de la polarisation linéaireÉtat de polarisation d'une onde électromagnétique où le vecteur champ électrique oscille selon une direction fixe.. Une onde...

Calcul de la fréquence de l’onde
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Calcul de la Fréquence d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Fréquence d'une Onde Électromagnétique Contexte : L'onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l'espace. La lumière, les ondes radio et...

Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée
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Exercice : Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée Contexte : Électromagnétisme et le Théorème de GaussUn principe fondamental en électrostatique qui relie le flux électrique à travers une surface fermée à la charge...

Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM
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Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM Contexte : L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale de pointe qui permet d'obtenir des vues en 2D ou 3D de l'intérieur du corps. Le...

Champ électrique et potentiel électrique
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Exercice : Champ et Potentiel Électriques Champ Électrique et Potentiel Électrique Contexte : L'étude du mouvement d'une particule chargée, comme un électronParticule subatomique de charge négative qui gravite autour du noyau d'un atome., dans un champ électrique...

Calcul de la Densité de Charge
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Exercice : Calcul de Densité de Charge Calcul de la Densité de Charge Électrique Contexte : La Densité de ChargeLa densité de charge décrit comment une charge électrique est répartie dans l'espace. Elle peut être linéique (par unité de longueur), surfacique (par unité...

Calcul du Champ et du Potentiel Électriques
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Exercice : Champ et Potentiel Électriques Calcul du Champ et du Potentiel Électriques Contexte : L'électrostatique est la branche de la physique qui étudie les interactions entre les charges électriques immobiles. Deux concepts fondamentaux en découlent : le champ...

Calcul de la densité de courant (J)
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Exercice : Calcul de la Densité de Courant (J) Calcul de la Densité de Courant (J) dans un Conducteur Contexte : La densité de courantVecteur décrivant le courant électrique par unité de surface. Son unité est l'ampère par mètre carré (A/m²).. En électricité et en...

Force Électrostatique entre Deux Charges
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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...

Force sur une Charge dans un Champ Électrique
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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
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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
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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
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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
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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...

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