Nous allons dans ce chapitre étudier un ensemble d'équations qui peuvent résumer à elles toutes seules l'ensemble de nos connaissances sur l'électrostatique et la magnétostatique. Ces équations, au nombre de quatre, se nomment "équations de Maxwell-Heaviside" (que nous abrégerons par abus comme de nombreux autres ouvrages "équations de Maxwell") et vont nous permettre d'aborder la branche de la physique appelée "électrodynamique" et donc des ondes électromagnétiques.

Remarque: Il est très important de bien comprendre ce qui va suivre! Certains des développements seront réutilisés dans les chapitres de relativité restreinte, de physique quantique des champs, etc. Par ailleurs, il faudrait que le lecteur lise en parallèle le chapitre de relativité restreinte pour mieux comprendre les tenants et aboutissants de certains résultats et la provenance de quelques outils mathématiques.

Rappel : Nous supposerons que tout à chacun sait en ce début de 3ème millénaire que les rayons gamma, les ondes radio, les micro-ondes, la lumière visisible (et non visible) sont simplement des ondes électromagnétique (E.M.) de fréquences différentes!

Première équation de Maxwell

Soit définit un champ de vecteurs dans l’espace. Considérons une surface S fermée dans le champ. Alors à chaque point (x,y,z) appartenant à la surface correspond un vecteur du champ.

Dans ce cas le théorème d'Ostrogradsky (cf. chapitre de Calcul Vectoriel) donne :

  (1)

avec V étant le volume de la surface (dite "surface de Gauss") fermée.

Remarque: Le théorème de Ostrogradsky est vérifié à condition qu'il n’existe pas de singularités de  dans V.

Rappel : Dans le cas du théorème de Ostrogradsky le vecteur  est conventionnellement dirigé vers l'extérieur de la surface. 

Dans le cas particulier du champ électrique, nous obtenons des résultats très intéressants. En effet soit une charge Q repérée par rapport à un référentiel par le vecteur . 

Alors, nous avons vu dans le chapitre d'Électrostatique qu'en chaque point de l'espace il existe un champ   tel que:

  (2)

d'où :

    (3)

Comme nous pouvons le constater, le champ   possède une singularité en  . Considérons une surface de Gauss tel que la charge Q se trouve à l’extérieur de cette surface. A l’intérieur du volume V délimitant la surface S le champ   ne possède alors pas de singularité. Nous pouvons donc calculer la divergence de :

  (4)

Donc si nous calculons le flux à travers cette surface nous trouvons (voir le chapitre de Calcul Vectoriel pour la description détailée de l'opérateur Nabla):

  (5)

Le flux est nul !

Dans le cas où la charge Q se trouve à l’intérieur de la surface de Gauss  n’est plus défini en nous avons alors:

  (6)

Avec étant le flux de  sur une petite boule B entourant la charge ponctuelle Q. 

Dans ce cas  :

  (7)

car la divergence est définie partout sur V-B. Il nous reste donc: 

  (8)

Mais dans le cas d’une sphère il est facile de calculer

Nous avons : 

  (9)

d'où la "première équation de Maxwell" ou "Loi de Gauss" pour le champ électrique (ou "théorème de Gauss") :

  (10)

Explications : Cette équation suggère que le flux du champ électrique traversant une surface close (d'où le cerlce sur l'intégrale) est égale, à un facteur dimensionnel près, à la charge totale enfermée dans cette surface.

Remarques:

R1. Il est intéressant (et trivial) de remarquer que le résultat est identique si nous prenons la formulation relativiste (cf. chapitre de Relativité Restreinte) de l'expression du champ électrique (à cause des différentielles qui sont partielles et non totales) !

R2. L'intégrale de la dernière relation est une intégrale curviligne (donc évaluée sur une courbe). Dans le domaine de l'électrodymique les intégrales curvilignes s'appliquent très souvent sur des chemins ou surfaces fermées d'où l'indication d'un cercle superposé au symbole de l'intégrale portant alors le nom de "circulation du champ de vecteurs".

Si nous exprimons maintenant cette équation en fonction du potentiel électrique, nous obtenons :

  (11)

où donc . Nous pouvons noter la relation ci-dessus de façon plus esthétique en utilisant le Laplacien scalaire, tel que nous obtenions la relation:

  (12)

appelée "équation de Maxwell-Poisson".

Deuxième équation de Maxwell

Dans le cas particulier du champ magnétique, nous obtenons des résultats très intéressants. En effet soit un courant I repéré par rapport à un référentiel par le vecteur . Alors en chaque point de l’espace, nous avons vu dans le chapitre de magnétostatique qu'il existe un champ tel que:

    (13)

d'où :

  (14)

Comme nous pouvons le constater, le champ  possède une singularité en . Considérons alors une surface de Gauss tel que le courant I se trouve à l’extérieur de cette surface.

A l’intérieur du volume V délimitant la surface S le champ  ne possède alors pas de singularité. Nous pouvons donc calculer la divergence de :

  (15)

D'où :

  (16)

Si nous calculons le flux à travers cette surface nous trouvons alors :

  (17)

Le flux est nul !

Dans le cas où le courant I se trouve à l’intérieur de la surface de Gauss  n’est plus défini en nous avons alors : 

  (18)

Avec étant le flux de  sur une petite boule entourant partiellement le conducteur rectiligne transportant le courant I. Dans ce cas:

  (19)

car la divergence est définie partout sur V-B.

Il nous reste donc:

  (20)

Mais dans le cas d’une sphère il est facile de calculer :

  (21)

Nous avons alors loi de Gauss pour le champ magnétique : 

  (22)

Dans le cas du champ magnétique,  et sont perpendiculaires donc : 

  (23)

Remarque: D'où nous pouvons aussi déduire que !

Donc, soit donnée une surface de Gauss dans un champ magnétique, alors le flux du champ magnétique à travers cette surface vaut:

  (24)

relation qui constitue la "deuxième équation de Maxwell".

Explication : La deuxième équation est basée sur le fait qu’il n’existe aucun " monopôle magnétique" dans la nature, c'est-à-dire, qu'à tout pôle positif, nous devons retrouver un pôle négatif (à partir d'un aimant, les lignes du champ ne divergent pas). La deuxième équation vient toutefois rajouter l'idée (démontrée par Dirac) que s’il était possible de retrouver un monopôle dans la nature, il serait le point de source du champ magnétique. Nous verrons cela un peu plus loin dans les détails.

Remarque: Il est intéressant (et trivial) de remarquer que le résultat est identique si l'on prend la forme relativiste (cf. chapitre de Relativité Restreinte) de l'expression du champ électrique (à cause des différentielles qui sont partielles et non totales)!

Troisième équation de Maxwell

Nous démontrerons dans le chapitre d'électrocinétique (car il faut des notions que nous n'avons pas encore rencontrées), que la variation du flux du champ magnétique dans le temps à travers une boucle conductrice induit une tension dans cette boucle donnée par la "loi de Faraday" :  

  (25)

et nous avons déjà démontré dans le chapitre d'électrostatique que:

  (26)

donc:

  (27)

Remarque: Nous verrons dans le chapitre d'électrocinétique qu'il n'est pas tout à fait correcte de noter le potentiel U comme ci-dessus car au fait, la loi de Faraday exprime la force électromotrice (potentiel électromoteur) e et ce potentiel est non conservatif contrairement au potentiel électrstatique de Coulomb.

Si nous développons cette relation, en utilisant le théorème de Stokes (cf. chapitre de Calcul Vectoriel) nous obtenons alors:

    (28)

Ceci est la "troisième équation de Maxwell" ou "loi de Maxwell-Faraday" dite parfois encore "loi d'induction".

Explication : La troisième équation affirme qu'une variation du champ magnétique produit un champ électrique dans un boucle conductrie. Cette équation est donc basée sur la théorie de Faraday.

Remarque: Il est évident que cette formulation est aussi relativiste.

Quatrième équation de Maxwell

La 4ème équation de Maxwell est la plus importante. Elle est une généralisation de la loi d'Ampère qui a déjà été démontrée dans le chapitre de magnétostatique et pour laquelle nous avions obtenu (il est très facile de vérifier que cette relation est également valable pour l'expression relativiste du champ magnétique) :

  (29)

La troisième équation de Maxwell nous dit que la variation d'un champ magnétique donne lieu à un champ élecrique nous pouvons donc supposer que la réciproque est vraie.

Un endroit typique où l'on peut observer une variation d'un champ électrique est par exemple le condensateur.

Nous savons que :

  (30)

et que le champ électrique entre deux plans parallèles, de surface S, portant des charges  , uniformément est donné par (cf. chapitre d'Electrostatique):

  (31)

Ce résultat est indépendant de la distance d entre les plans. La deuxième équation de Maxwell donne:

  (32)

La capacité d'un condensateur étant définie par (cf. chapitre d'Electrostatique) :

  (33)

nous avions obtenu dans le cas particulier d'un condensateur plan et parallèle que la capacité vaut : 

  (34)

Comme nous savons que :

   (35)

rien ne nous empêche d'écrire que:

  (36)

Nous nommons   "courant de déplacement". En exprimant l'expression ci-dessus en utilisant la densité superficielle de courant, il vient : 

  (37)

Le courant de déplacement engendre un champ magnétique calculable au moyen de la loi d'Ampère:

  (38)

Dans tout phénomène où nous observons un déplacement de charge, nous pouvons supposer qu'il y a création d'un courant de déplacement qui se superpose au courant de conduction à cause des effets capacitifs dans la matière. Nous écrivons dès lors:

  (39)

où nous avons (rappel) : 

 et   (40)

D'autre part, le théorème de Stokes fournit que (à nouveau, il est facile de vérifier que cette relation est aussi juste pour l'expression relativiste du champ magnétique) :

  (41)

d'où :

  (42)

et nous en ressortons finalement que:

  (43)

Ceci est la "quatrième équation de Maxwell" ou "équation de Maxwell-Ampère".

Explication : La quatrième et dernière équation de Maxwell associe la création d'un champ magnétique à toute variation d'un champ électrique ou à la présence d'un courant électrique.

Remarque: Il est évident que cette formulation est aussi relativiste.

Résumé :

Nous avons donc les quatre équations de Maxwell suivantes appelées "formes locales des équations de Maxwell" (lorsque les intégrales ne sont pas indiquées) :

  (44)

Dans le cas où , les physiciens pour différencier le fait que qu'ils ne travaillent pas dans la vide mais dans la matière écrivent les équations locales de Maxwell sous la forme suivante  :

  (45)

où est (rappel) appelé "champ de déplacement" ou encore "induction électrique" et (rappel) "excitation magnétique".

Remarque: Attention! est une réaction du vide au champ. Cela s'explique par la constante de permittivité du vide mise dans l'intégrale (du moins c'est une façon de voir la chose).

Mais dans le vide et dans le cas où nous considérons un absence de charges, nous obtenons  :

  (46)

Ce résultat est important car il exprime la propagation possible d'un champ électrique et magnétique et ce même en l'absence de sources. Nous utiliserons ces équations pour déterminer les équations d'onde électromagnétiques plus loin.

Remarque: Il est possible d'exprimer les équations de Maxwell sous forme relativiste (la relativité restreinte) mais .... en réalité, comme nous l'avons déjà fait remarquer, les équations sont inchangées! En effet, les équations de Maxwell sont déjà relativistes. Ceci n'a rien d'étonnant car les vecteurs des champs électrique et magnétique, le photon (cf. chapitre de Physique Quantique Des Champs), se propagent à la vitesse de la lumière. A cette vitesse, la relativité est reine et une théorie correcte ne pouvait être que relativiste. On peut toutefois exprimer les équations à l'aide des notations mathématiques tensorielle (voir plus loin notre démonstration du tenseur du champ électromagnétique). Sous cette forme les équations deviennent incroyablement simples et compactes (une seule équation extrêmement courte). Formulées de cette manière, les champs électriques et magnétiques s'écrivent comme un champ unique appelé bien évidemment "champ électromagnétique". C'est un champ tensoriel comme nous le verrons plus loin.

MONOPÔLES MAGNÉTIQUES

Remarquons qu'en optant pour le système de mesure naturel où (cf. chapitre sur les Principes De La Mécanique), nous avons alors pour les équations de Maxwell dans le vide :

  (47)

puisque comme nous le démontrerons plus loin, dans le vide :

  (48)

Alors la transformation :

  (49)

amène la seconde paire d'équations précédentes en la première ! Cette symétrie des équations de Maxwell est appelée "dualité" et c'est un indice vers lequel le champ électrique et magnétique ne sont que les parties unifiées d'un tout que nous appèlerons le "champ électromagnétique".

De plus, si nous introduisons le champ complexe suivant :

  (50)

la dualité (en prenant la partie réelle seulement), s'écrit alors :

  (51)

la paire d'équations de Maxwell indiquée précédemment se réduit alors à (nous utilisons la propriété de linéarité de produit vectoriel) plus qu'une seule paire d'équation dont il ne faut pas oublier de prendre la partie réelle :

  (52)

Cependant, cette symétrie ne s'étend pas aux équations de Maxwell avec sources exprimées dans le système naturel par :

  (53)

car cela se traduirait au mieux (n'oubliez pas de prendre la partie réelle pour le champ intéressé) :

  (54)

mais une fois sur deux cela ne marche pas (fait la substitution de vous verrez que vous obtenez toujours une des équations sur la paire qui est conforme l'autre pas). L'astuce consiste alors à séparer les deux densités en leur partie imaginaire et réelles respectives :

  (55)

Nous obtenons alors (toujours sans oublier de prendre les parties réelles) :

  (56)

il suffit alors de poser . Ces équations sont certes charmantes mais leur généralisation n'apporte rien de nouveau cependant car aucune charge magnétique (exprimée par ) – appelée "monopôle magnétique" - ont été observées à ce jour. Dans le cadre expérimental, nous disons alors que sont réels tel que nous ayons bien .

ÉQUATION DE CONSERVATION DE LA CHARGE

Nous avons donc démontré les quatre équations de Maxwell qui sont les fondements de l'électrodynamique classique.

Les équations de Maxwell peuvent être divisées en deux groupes:

- des "équations sans source" :

 et   (57)

- des "équations avec sources" (dans le vide) :

 et   (58)

Dérivant la première équation avec sources par rapport au temps:

  (59)

et prenant la divergence de la seconde, nous obtenons :

  (60)

en simplifiant un peu :

  (61)

or,  et donc:

  (62)

Après simplification nous obtenons :

  (63)

qui est appelée "équation de conservation de la charge" ou "équation de continuité".

Elle s'interprète comme: entre deux instant voisins , la variation dQ de la charge contenue dans une surface fermée délimitant un système ne peut être attribuée exclusivement qu'à un échange de charges avec l'extérieur.

Cette équation est très importante, car elle implique lors de l'étude de la relativité restreinte, que la charge est une quantité invariante par translation.

thÉorie de jauges

Avant de commencer à lire ce sous-chapitre, il est de première importance pour le lecteur d'aller faire un petit tour dans la section d'Algèbre du site, dans laquelle se trouve un chapitre d'analyse vectorielle où nous faison un rappel des différents opérateurs vectoriels indispensables en physique et leurs propriétés.

Ce qui va suivre est très important car outre le fait que nous allons faire apparaître naturellement un nouveau champ (le potentiel vecteur) qui est indispensable dans certaines équation de la physique quantique relativistes (voir chapitre du même nom) nous reprendrons cette démarche de jauges dans le chapitre de physique quantique ondulatoire où les conséquences sont beaucoup plus vastes!

Soit la relation connue:

  (64)

il existe de par les propriétés des opérateurs rotationnel et divergence (cf. chapitre de Calcul Vectoriel) un "potentiel vecteur" tel que :

  (65)

qui satisfait donc (la divergence du rotationnel d'un champ est toujours nulle car il s'agit d'une propriété mathématique) :

  (66)

Remarque: Le potentiel vecteur est donc... un potentiel ! De même que nous pouvons définir un potentiel U dont dérive , nous pouvons définir un potentiel pour le champ . Mais pour des raisons techniques (provenant de l'expression des rotationnels de et de dans les équations de Maxwell), le potentiel n'est pas aussi simple que U et ne peut pas s'exprimer comme un simple scalaire : il faut utiliser un potentiel vecteur.

Si nous portons la relation  dans l'équation de Maxwell  nous obtenons :

  (67)

Nous posons maintenant (la notation n'a aucun rapport avec la force newtonienne!):

  (68)

et nous utilisons les propriétés mathématiques des opérateurs rotationnel et gradient pour écrire une nouvelle relation (le signe "-" est là par anticipation de ce qui suivra):

  (69)

où dès lors : 

  (70)

où  est un "potentiel scalaire".

Remarques:

R1. Le champ  semble obéir aux mêmes propriétés que le champ gravitationnel (loi de Newton-Poisson) mais ce n'est qu'une curiosité (les unités et les autres propriétés mathématiques n'étant pas équivalentes)

R2. Le lecteur voit sans peine que si le potentiel vecteur est nul, nous retrouvons alors (cf. chapitre d'Electrostatique) :

  (71)

ce qui renforce les hypothèses des développements précédents (et ce n'est pas tout...)

De plus, les champs  et  restent inchangés si nous effectuons dans les relations précédentes les les remplacements suivants (les termes s'annulent trivialement) :

  (72)

où  est une fonction arbitraire de  et t.

Nous appelons une telle transformation  un "changement de jauge". La liberté sur le choix des potentiels permet de leur imposer une contrainte que nous appelons la "contrainte de Jauge".

Nous utiliserons soit la "jauge de Lorenz" en imposant:

  (73)

ou soit la "jauge de Coulomb" en imposant:

  (74)

Remarque: Nous trouvons souvent dans la littérature la dénomination "jauge de Lorentz" à la place de "jauge de Lorenz", car comme nous l'avons déjà démontré dans le chapitre de relativité restreinte, la jauge de Lorenz est invariante dans les transformations de Lorentz.

Montrons qu'il est possible d'imposer la jauge de Coulomb. Pour cela, étant donnés  et , il suffit de trouver  dans les équations:

  (75)

tel que la relation (jauge de Coulomb) soit vérifiée. Ainsi,   doit vérifier trivialement:

  (76)

La relation :

  (77)

est appelée "équation de poisson du potentiel vecteur".

De même, pour montrer qu'il est toujours possible d'imposer la condition de Lorenz, il suffit de trouver  dans les équations précitées :

  (78)

tel que (nous laissons le soin au lecteur de faire le développement car c'est de l'algèbre élémentaire, sinon quoi envoyez-nous un mail et nous rajouterons ce qui manque) la relation ci-dessous soit vérifiée :

  (79)

où l'opérateur:

  (80)

est par définition appelé le "d'Alembertien" (nous le retrouverons souvent ce terme à partire de maintenant aussi bien en électrodynamique qu'en physique quantique) qui est donc aussi invariant par transformation Lorentz comme nous le verrons lors de notre étude de la relativité restreinte (cf. chapitre de Relativité Restreinte).

Donc sans écrire cela avec le d'alembertien nous aurions :

  (81)

Effectivement :

  (82)

En reportant les équations :

 et   (83)

dans les deux autres équations de Maxwell dans le vide :

 et   (84)

nous obtenons, en faisant apparaître le laplacien  par une des propriétés des opérateurs vectoriels rotationnel, gradient et divergence (cf. chapitre de Calcul Vectoriel):

  (85)

les relations suivantes:

  (86)

la dernière relation étant appelée "jauge arbitraire".

Pour la jauge de Lorenz, ces deux dernières équations se simplifient en (n'hésitez pas à nous contacter si vous ne voyez pas comment) :

  (87)

que nous appelons "équations d'onde des potentiels électromagnétiques" en analogie avec les équations d'onde des champs électrique et magnétique que nous déterminerons plus loin..

Pour la jauge de Coulomb, les mêmes équations se simplifient en:

  (88)

Sachant que nous pouvons aussi écrire les deux équations d'onde des potentiels électromagnétiquesrelations sous la forme :

  (89)

Posons maintenant (afin homogénéiser les unités) tel que nous définissions un "quadrivecteur potentiel" qui nous permet d'écrire vectoriellement les deux relations ci-dessus de manière unifiée :

  (90)

Remarque: Le fait que le d'alembertien du quadrivecteur potentiel s'exprime à partir du quadrivecteur courant qui est contravariant (cf. chapitre de Relativité Restreinte) nous amène à poser que le quadrivecteur potentiel est lui-même contravariant!

Relation que nous noterons sous une forme condensée de la manière suivante :

  (91)

où sera appelé "quadrivecteur courant".

Remarque: Nous retrouverons ce quadrivecteur lors de notre détermination du tenseur du champ électromagnétique (à la différence que nous serons en unités naturelles mais cela ne change pas le fond...).

Le quadrivecteur potentiel tel que défini nous amène à pouvoir écrire la (quadrivergence) jauge de Lorenz en faisant usage de la notation tensorielle :

  (92)

Ce qui permet finalement d''écrire la jauge de Lorenz sous forme covariante :

  (93)

Il s'agit donc d'une équation de la forme de celle de Klein-Gordon pour une particule de masse nulle (cf. chapitre de Physique Quantique Relativiste). Donc nous pouvons dire dans un sens que l'invariance de jauge électromagnétique est reliée au fait que la masse du photon est nulle!

Remarque: Il est utile de noter que le fait de poser (avec ou sans les unités naturelles où ) est une notation qui sera également adoptée lors de notre étude de l'équation de Dirac (chapitre de physique quantique ondulatoire) ou encore en physique quantique de champs (mis à part qu'il y aura une partie imaginaire).

Ces notations nous amènent enfin à pouvoir écrire :

  (94)

Nous obtenons ainsi l'équation de continuité :

  (95)

équivalent (sous forme) tensoriel de (voir la démonstration juste plus haut dans le texte) :

  (96)

Pour résumer en gros… :

Un certain nombre d'effets physiques se modélisent, selon les cas, par des champs qui peuvent être scalaires, vectoriels, spinoriels ou encore tensoriels que nous appelons donc des jauges. Un certain nombre de phénomènes physiques s'avèrent respecter des conditions dites de symétrie, vis à vis de ces jauges. Cette symétrie s'exprime par ce que nous appelons donc une invariance de jauge.

Par exemple, le champ qui permet de modéliser le champ électromagnétique est comme nous l'avons vu, un champ de quadrivecteurs formé d'un potentiel scalaire (dont le gradient est le champ électrique ) et d'un potentiel-vecteur (dont le rotationnel est le champ magnétique ). Ce champ quadrivectoriel qui permet de modéliser le champ électromagnétique est appelé une jauge.

Il s'avère que nous obtenions donc exactement les même effets physiques sur un système de particules chargées si nous remplaçons cette jauge par une autre jaugeen lui rajoutant une contrainte de Jauge (exemple typique entre la jauge de Lorenz ou de Coulomb vues plus haut). L'invariance des lois de la physique lors du passage d'une jauge à une autre étant une invariance de jauge. Dans le cas du champ électromagnétique, cette invariance de jauge s'avère exprimer la conservation de la charge électrique (comme nous l'avons montré).

Mathématiquement, de tels changements de jauges s'avèrent être le résultat de l'action d'un groupe de symétrie de dimension infinie (transformant ces jauges les unes en les autres) que nous appelons le "groupe de jauge" de l'interaction considérée (ici l'interaction électromagnétique).

Pour le champ gravitationnel par exemple (cf. chapitre de Relativité Restreinte), l'interaction gravitationnelle se modélise par un champ de tenseurs symétriques de rang 2 et avec un signature donnée. Ce champ de métrique est distribué sur une variété 4D modélisant l'espace-temps. C'est la jauge de l'interaction gravitationnelle. D'après la relativité générale (principe d'équivalence) nous ne changeons rien à l'interaction gravitationnelle si nous changeons le système de coordonnées spatio-temporelles dans lequel nous exprimons la métrique. Le passage d'une expression de la métrique à une autre en changeant de système de coordonnées est aussi un changement de jauge. L'invariance de jauge de la relativité générale exprime alors la possibilité de passer d'une jauge à une autre sans changer pour autant les géodésiques suivies par des particules test tombant en chute libre dans le champ gravitationnel modélisé par le champ de métrique.

L'invariance de jauge de la relativité générale est ce que nous appelons l'invariance par difféomorphisme (changement de système de coordonnées bijectif présentant un certain degré de régularité) et le groupe de jauge de la relativité générale est donc le groupe des difféomorphisme de (appelé le "groupe souple").

Il convient de préciser aussi que le potentiel vecteur n'est peut-être pas si virtuel que ça. En effet, il est possible de modifier les trajectoires de particules chargées passant à l'extérieur du volume cylindrique où règne un champ magnétique induit par un courant électrique (circulant dans l'enroulement d'un solénoïde où ce champ est "emprisonné"). Il est donc possible d’influer sur la trajectoire de particules circulant dans une zone où le champ magnétique est nul mais où son potentiel vecteur ne l'est pas.

Par ailleurs, nous utiliserons les résultats ici lors de notre étude de la théorie de Yang-Mills dans la voie de l'unification électrofaible (voir le modèle standard dans le chapitre de physique quantique des champs).

Remarque: L'expérience connue qui fait intervenir le potentiel vecteur est celle d'Aharonov-Bohm (cf. chapitre de Physique Quantique Ondulatoire).

TENSEUR DU CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Afin de déterminer le tenseur du champ électromagnétique supposons dans un premier temps que l'action (cf. chapitre de Mécanique Analytique) d'une particule chargée dans un champ électromagnétique serait donnée par (choix à priori empirique mais… vous verrez un peu plus loin) :

  (97)

Remarque: La notation reste réservée à l'action d'un particule libre (cf. chapire de Relativité Restreinte).

Le lagrangien pour une particule chargée dans un champ électromagnétique est donc la somme du lagrangien de la particule en interaction avec le champ électromagnétique additioné du lagrangien de la particule libre (cf. chapitre de Relativité Restreinte):

  (98)

Remarque: Il s'agit donc du lagrangien de l'interaction de la particule avec le champ additionné du lagrangien de la masse de la particule. Dès lors on voit qu'il manque encore le lagrangien du champ électromagnégique lui-même en l'absence de charges (appelé : lagrangien du champ libre) mais nous verrons cela plus loin.

Ceci est donc (à priori) le lagrangien d'une particule chargée dans un champ électromagnétique.

Nous allons démontrer que ce lagrangien est correct :

Le moment généralisé est donc (cf. chapitre de Mécanique Analytique et de Relativité Restreinte) :

  (99)

Pour vérifier que nous avons fait le bon choix de lagrangien au départ, nous allons obtenir les équations du mouvement et s'assurer qu'elles coïncident avec la force de Lorentz. Les équations de Lagrange sont, dans ce cas :

  (100)

Or nous avons :

  (101)

et donc :

  (102)

Mais nous avions fait remarquer lors de la définition du potentiel scalaire que d'où :

  (103)

Nous devons donc nécessairement avoir par analogie avec la force de Lorentz :

  (104)

Il nous faut donc avant de poursuivre vérifier que :

  (105)

Avec :

  (106)

En composantes :

  (107)

Donc :

  (108)

et comme :

  (109)

Nous avons donc bien l'égalité :

  (110)

Ces développements confirment donc notre hypothèse initiale comme quoi l'action du champ peut s'écrire :

  (111)

et qu'elle exprime l'interaction d'une particule chargée avec un champ (car on y retrouve la force de Lorentz!).

Nous avons donc maintenant démontré que le "lagrangien de l'interaction courants-champs" :

  (112)

dont avions supposé empiriquement la forme au début est donc finalement bien correct !

L'intégrale d'action s'écrivant alors :

  (113)

Introduisons la vitesse de la particule sous la forme et l'intégrale s'écrit :

  (114)

Nous avons vu en relativité restreinte que :

  (115)

et de même :

  (116)

Les intervalles d'espace-temps sont des invariants tel que (cf. chapitre de Relativité Restreinte) :

  (117)

Si le référentiel O' n'est pas en mouvement ), nous avons:

  (118)

d'où :

  (119)

ce qui s'écrit aussi :

  (120)

Dès lors :

  (121)

Faisons usage du quadrivecteur potentiel (voir plus haut) :

  (122)

Et en faisant usage du quadrivecteur déplacement (cf. chapitre de Relativité Restreinte) :

  (123)

L'expression de l'action d'une particule chargée dans un champ électromagnétique et dans une métrique de Minkowski (cf. chapitre de Relativité Restreinte et Relativité Générale) se réduit finalement l'expression condensée :

  (124)

avec donc :

  (125)

sans oublier que sur ce site nous utilisons la métrique (cf. chapitre de Relativité Restreinte et Relativité Générale).

Remarquons que l'intégrale d'action en l'absence de champ magnétique et électrique s'écrit :

  (126)

ce qui correspond bien à ce que nous avons obtenu en relativité restreinte pour une particule libre !

D'après le principe de moindre action, l'intégrale d'action a une variation nulle pour le mouvement effectif de la particule, soit :

  (127)

Remarque: De par l'égalité avec zéro, nous pouvons éliminer le signe moins devant l'intégrale.

Utilisant l'expression de l'abscisse curviligne (cf. chapitre Calcul tensoriel et de Relativité Générale) :

  (128)

Pour la métrique de Minkowski nous pouvons écrire (rappelons que dans la métrique euclidienne seulement les termes de la diagonale où sont non nuls) :

  (129)

Ainsi :

  (130)

l'intégrale précédente s'écrit alors :

  (131)

Cela donne en utilisant les composantes curvilignes (cf. chapitre de Calcul Tensoriel) :

  (132)

Intégrons par partie (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) seulement les deux premiers termes de l'intégrale :

  (133)

Intégrons par parties (cf. chapitre de Calcul Intégral Et Différentiel) la première intégrale :

  (134)

Or, comme :

et   (135)

Alors :

  (136)

Avec :

et   (137)

Alors :

  (138)

Les quantités étant arbitraires, l'expression entre crochets est nulle :

  (139)

Notons :

  (140)

Les quantités contravariantes forment les composantes de ce que nous appelons le "tenseur du champ électromagnétique" ou le "tenseur de Faraday" ou plus couramment le "tenseur de Maxwell". Nous disons alors que est le "rotationnel du potentiel".

Les "équations du mouvement d'un particule dans un champ électromagnétique" prennent ainsi la forme :

  (141)

Remarques:

R1. La lettre F est choisie relativement au physicien Faraday.

R2. Certains physiciens appellent cette relation : "géodésique corrigée par une force de Lorentz" (ce qui n'est au fond pas faux)

R3. Le tenseur de champ électromagnétique est invariant sous les transformations :

  (142)

Effectivement :

  (143)

Dans une métrique de Minkowski (nous allons avoir besoin du tenseur de champ électromagnétique dans le chapitre de relativité restreinte, d'où le choix de cette métrique), nous avons cependant :

  (144)

Ce qui donne :

  (145)

Le terme est traditionnellement toujours notée (même s'il n'est pas plus totalement contravariant).

Il nous reste à déterminer les composantes du tenseur contravariant (tenseur qui a la propriété d'être antisymétrique tel que ).

Commençons par le plus simple. Nous supposerons comme évident que :

  (146)

Ensuite, en se rappelant que :

  (147)

D'où (rappelons que la métrique de Minkowski est du type ) :

  (148)

Ce qui nous donne pour l'instant :

  (149)

Maintenant, étant connu que et les autres composantes du tenseur s'écrivent compte tenu de :

  (150)

et donc :

  (151)

ainsi, avec les dérivées partielles contravariantes selon la métrique de Minkowski :

  (152)

Ainsi, nous avons :

  (153)

Mais comme nous le verrons en relativité restreinte, le vrai tenseur du champ électromagnétique est être défini par :

  (154)

afin que les transformées de Lorentz soient conformes.

Ce qui fait que l'équation du mouvement est finalement :

  (155)

L'expression sous forme tensorielle du champ électromagnétique met bien en évidence l'unité du champ électromagnétique alors que généralement les champs électrique et magnétique sont considérés séparément en théorique classique.

Mais comme en physique théorique nous travaillons souvent en unités naturelles (c'est un peu la norme...), nous avons alors :

  (156)

et donc l'équation du mouvement :

  (157)

En notant maintenant les composantes de 1 à 4 au lieu de 0 à 3 (c'est plus facile pour les élèves de se repérer dans la matrice) et sans oublier que les dérivées partielles sont covariantes et en adoptant, à nouveau, les unités naturelles tel que (in extenso ), les deux équations de Maxwell avec sources s'écrivent :

  (158)

En utilisant le tenseur du champ électromagnétique, il apparaît alors remarquablement que ces deux équations peuvent être écrites sous la forme de l'équation tensorielle condensée suivante :

  (159)

où est le "quadrivecteur courant" défini par (en unités naturelles!) :

  (160)

En utilisant la première définition du tenseur de Faraday (celle où les composantes du champ sont divisées par c)et en prenant pour connu (nous le démontrerons plus tard) que  nous avons dans le système SI :

 avec   (161)

Comme nous allons de suite le voir, la partie temporelle de cette équation donne la divergence du champ électrique et la partie spatiale le rotationnel du champ magnétique.

Remarque: Nous avions déjà rencontré (défini) ce quadrivecteur lors de notre étude de la jauge de Coulomb plus haut ainsi que lors de notre étude de la relativité restreinte (cf. chapitre de Relativité Restreinte).

Effectivement :

  (162)

De même, les deux équations de Maxwell :

  (163)

peuvent s'écrire sous la forme condensée tensorielle :

  (164)

Effectivement :

  (165)

Finalement toutes les équations de Maxwell, en adoptant les unités naturelles, se résument à :

  (166)

Nous pouvons aussi utiliser le symbole d'antisymétrie (cf. chapitre de Calcul Tensoriel) tel que nous puissions écrire :

  (167)

avec pour rappel :

Le lagrangien que nous avons déterminé plus haute n'est cependant pas complet. Effectivement, lorsque nous appliquons le principe variationnel nous avons déjà vu de nombreuses fois dans les différents chapitres de ce site (mécanique classique, mécanique ondulatoire, magnétostatique, relativité restreinte, relativité générale, etc.) que nous pouvions obtenir les équations du mouvement (trajectoires) des sujets (corps) étudiés. Les équations obtenues contenaient aussi des paramètres qui expliquaient la source de ce mouvement (propriétés de la matière, vitesse, champ, etc.) comme cela a été le cas avant!

Précédemment, nous avons appliqué le principe variationnel sur le lagrangien d'interaction charge-champ (magnétique + électrostatique) et avons obtenu l'équation du mouvement corrigée par la force de Laplace.

Lorsque nous avons déterminé les équations du mouvement de la particule chargée à partir du principe de moindre action, nous avons fixé le champ électromagnétique (le champ est connu) et nous avons fait varier la trajectoire. Le principe variationnel, doit alors également nous permettre d'obtenir les équations du champ à partir de la démarche inverse : nous fixons la trajectoire de la particule (trajectoire connue) et nous faisons varier le champ électromagnétique (potentiel et tenseur).

Nous devrions alors obtenir les équations de Maxwell qui, au même titre que l'on obtient ce qui fait le mouvement de la particule lors l'on fixe le champ dans le principe variationnel, nous donne l'information sur ce qui est la source du champ électrique et magnétique lorsque l'on fixe la trajectoire dans le principe variationnel.

L'envie est alors très grande de reprendre simplement l'expression de l'action obtenue plus haut :

  (168)

et de lui appliquer une variation sur le champ après un petit changement dans la manière de l'écrire :

Nous savons que les charges électriques bien qu'elles soient ponctuelles, sont considérées généralement comme un charge transportée par un courant répartie de façon continue dans l'espace. Soit  cette densité de charge, nous avons alors  tel que :

  (169)

Considérons des charges électriques se déplaçant à la vitesse v et écrivons la quantité suivante (ne pas oublier que nous continuons à travailler en unités naturelles tel que !) :

  (170)

avec en unités naturelles :

Ainsi nous avons :

  (171)

Si nous appliquons le principe variationnel seulement sur le champ (constant en amplitude donc la source du champ est constante telle que ) et que nous considérons donc le mouvement des charges connues, il est immédiat que le premier terme ci-dessus est nul. Nous avons alors :

  (172)

pour que cette intégrale soit nulle il faudrait que  soit nul… ce qui est plutôt gênant si nous souhaitons déterminer les caractéristique d'une source qui alors n'existerait pas... Dès lors, nous remarquons qu'il manque quelque chose à notre lagrangien!

L'idée est alors la suivante : nous connaissons une équation tensorielle qui fait intervenir la densité de courant qui est   et qui implicitement contient les deux seules équations de Maxwell qui donnent des informations sur la source des champs électrique et magnétique respectifs (les deux autres donnant des propriétés des champs et non pas des sources) soit (toujours en unités naturelles) :

  (173)

Il est donc suffisant d'obtenir ces deux équations (donc l'équation tensorielle y relative) suite au principe variationnel pour avoir les propriétés de la source du champ.

Ce qui signifie simplement que dans l'idéal nous devrions (et attendons à) avoir est :

  (174)

où l'intégrale s'annule exactement lorsque  !

Il est alors tenant d'écrire quelque chose de la forme (remarquez que nous avons abaissé l'indice du potentiel A et monté celui de la densité de courant j dans la seconde intégrale ce qui ne change rien mathématiquement parlant au résultat)

  (175)

Nous pouvons nous aider de la propriété suivante des quantités du lagrangien pour déterminer l'expression "???" manquante : ils sont tous invariants. En d'autres termes et pour rappel, leur pseudo-norme (scalaire) est égale par changement de référentiel de Galiléen (cf. chapitre de relativité Restreinte) telle que :

  (176)

La première relation est évidente, nous l'avons déjà démontrée de nombreuses fois. La deuxième l'est peut-être moins alors donnons une petit indication (non générale) pour vérifier quelle soit correcte : est le produit scalaire de j et de A. Si nous faisons subir la même (quadri)rotation aux deux vecteurs, puisque les transformation de Lorentz sont des rotations (cf. chapitre de Relativité Restreinte), l'angle entre j et A reste inchangé et donc le produit scalaire.

Il nous faut donc ceci dit, trouver la quantité "???" comme étant un scalaire invariant faisant intervenir le tenseur de Faraday d'une manière ou d'une autre.

Nous pouvons alors essayer directement avec la quantité suivante (sachant d'avance, grâce à nos précurseurs que c'est la bonne hypothèse) :

  (177)

faisant intervenir le tenseur covariant  et contravariant  de Faraday car nous savons que :

1. C'est un scalaire invariant. Effectivement, écrivons  en termes de champs électriques et magnétiques pour en comprendre la signification physique (en unités naturelles) :

  (178)

Remarque: Si nous n'étions pas en unités naturelles, le résultat du calcul serait de la forme :

  (179)

La quantité  (ou  en unités naturelles) est donc un invariant du champ.

Exemple:

Dans un référentiel O, considérons une onde électromagnétique plane. Les modules du champ électrique et du champ magnétique sont reliés par  (voir plus loin la démonstration). L'invariant du champ considéré est donc nul. Dans un autre référentiel, avec la même structure du champ, nous aurons alors aussi .

2. Parce qu'un variationnel sur ce terme donne :

  (180)

où l'on devine qu'en creusent un peu,  contient implicitement le terme. Nous voyons aussi qu'un facteur 2 apparaît tel qu'il nous faudra introduire une constante de normalisation , ne serait-ce déjà aussi que pour l'homogénéité des unités de l'expression de l'action.

Donc finalement essayons avec quelque chose du genre :

  (181)

A présent, pour chercher les équations du champ électromagnétique, nous considérons que les mouvements des charges sont connus et nous utilisons le principe de moindre action en faisant varier seulement les composantes du potentiel-vecteur et celles du tenseur du champ électromagnétique.

Il en résulte que la variation de la première intégrale est nulle et qu'il reste :

  (182)

Substituons dans la seconde intégrale, les composantes  par leur expression implicite , il vient :

  (183)

Or nous savons que  est égal à  puisque le tenseur de Faraday est antisymétrique :

  (184)

Rien ne nous empêche de permuter les indices  dans le premier membre à droite de l'égalité :

  (185)

Donc finalement :

  (186)

Intéressons nous à la seconde intégrale :

  (187)

En appliquant le théorème de Fubini (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) qui dit que l'on peut intégrer selon n'importe quel ordre les variables d'intégration (sous certaines conditions) on peut alors appliquer l'intégration par parties (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) de manière à écrire :

  (188)

où dS représente la frontière-surface de l'hyper-volume  sur lequel on intégrait initialement et qui omet la variable prise en considération par le choix de l'indice supérieur v.

Maintenant selon l'indice supérieur v concerné, les bornes du premier terme de l'égalité :

  (189)

seront sur les composantes de temps ou les composantes d'espace. Si nous nous concentrons sur les bornes temporelles d'intégration, il s'agit des moments initiaux et finaux de l'action sur laquelle nous appliquons ce variationnel.

Or aux extrémités temporelles, le variationnel du potentiel vecteur  est nul (par définition) donc l'intégrale sur la composante de temps sera nulle.

Maintenant sur les composantes spatiales, les bornes (spatiales) sont celles qui permettent d'intégrer la surface-frontière de l'hyper-volume au temps final. Si celui-ci est pris comme l'infini, le rayon de la surface-frontière sera infini et en tout point de cette surface, l'énergie transportée par le champ ainsi que l'amplitude des composantes du champ sera nulle (voir démonstration plus bas).

Donc le variationnel de l'action s'écrit finalement :

  (190)

Les variations du potentiel-vecteur étant arbitraire, l’intégrale précédente sera nulle si l'intégrande est l'est, d'où la relation

  (191)

ce qui nous amène à :

  (192)

nous retrouvons donc les deux équations de Maxwell donnant exprimant la source si et seulement si (en unités naturelle) :

  (193)

Nous avons donc alors :

  (194)

Avec finalement pour "lagrangien total de l'interaction charge-champ" en unités naturelles est :

  (195)

ou avec le système SI :

  (196)

Remarque: Nous reviendrons sur ce lagrangien avec une autre approche (très intéressante) dans le chapitre de physique quantique des champs.

Équations d'onde Électromagnetique

Maxwell supposa que l'onde électromagnétique était une combinaison des phénomènes qu'explicitent la troisième et quatrième équation. Si une onde électromagnétique est éloignée de sa source on peut alors négliger la densité superficielle de courant de la source comme ayant une influence nulle sur l'onde (nous disons alors que ce sont les équations de Maxwell sans source dont nous avons déjà fait mention plus haut). Alors, les troisième et quatrième équations de Maxwelle s'écrivent :

et   (197)

Les champs d'excitation magnétique et électrique étant perpendiculaires, plaçons-les de façon commode dans un système d'axes orthogonaux  unitaires et euclidiens appartenant à en choisissant que: 

 et   (198)

Remarque: Attention! Il faut bien se rappeler que dans ce qui suit, H est la composante en z de E la composante en y de .
et

Le calcul (simple) de  et  donne, après simplification:

et   (199)

d'où:

et   (200)

En identifiant les termes semblables, nous obtenons "l'équation de propagation" du champ électrique :

  (201)

et procédant de manière identique :

  (202)

relations qui sont toutes deux de la forme d'une équation d'onde (cf. chapitre de Mécanique Ondulatoire)  de la forme (rappel) d'une équation de Poisson : 

  (203)

où nous avons : 

   et   (204)

La vitesse de propagation de l'onde électromagnétique dans le vide est donc:

  (205)

les unités ainsi que les valeurs numériques concordent...

La vitesse de propagation de l'onde électromagnétique dans la matière est donc:

  (206)

car l'expérience montre que nous ne pouvons dépasser la vitesse de la lumière, ce qui est un des postulats de la relativité restreinte et générale.

Donc nous pouvons finalement écrire :

  (207)

soit en utilisant le d'Alembertien en une dimension :

  (208)

A défaut d'avoir trouvé l'expression directe de E(x,t) et B(x,t), nous venons d'obtenir des équations différentielles ne contenant qu'un seul de ces champs. Nous appelons ces équations respectivement "équation d'onde pour le champ électrique" et "équation d'onde pour le champ d'induction magnétique".

Elles ont la même forme et admettent une solution du même type. Une solution évidente et particulière (nous laissons le soin au lecteur de faire cette vérification) des ces équations différentielles est la fonction trigonométrique sinus:

  (209)

en se rappelant la relation entre la pulsation , la vitesse de propagation c et le nombre d'onde k que nous avions démontré dans le chapitre de Mécanique Ondulatoire.

Une solution plus générale est la somme des solutions triviales (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) :

  (210)

Mais nous avons vu lors de notre étude des phaseurs (cf. chapitre de Mécanique Ondulatoire) que cette solution réelle n'est qu'un cas particulier d'une solution plus générale et se trouvant dans le corps des complexes. Donc finalement, nous pouvons écrire :

  (211)

ce qui constitue l'onde plane monochromatique qui est le type d'onde le plus simple à manipuler en physique.

En trois dimensions, la solution est par extension :

  (212)

Remarque: L'onde monochromatique ne peut pas représenter une réalité physique. En effet, si nous calculons l'énergie électrique associé à tout l'espace, nous obtenons pour celle-ci une énergie infinie (car elle n'a ni début, ni fin!) ce qui n'est pas réaliste.

Or, l'équation des ondes est linéaire (solution est toujours la somme d'autres solutions). Donc ceci implique qu'une superposition d'ondes de fréquences  différentes (nombre d'onde et pulsation aussi alors!) est également solution. Ainsi, en variant le vecteur d'onde (et implicitement via sa norme, la pulsation, la fréquence et la période) nous balayons également l'ensemble des directions de propagation possibles.

Ecrit mathématiquement cela donne, pour le champ électrique :

  (213)

et rien ne nous empêche de sortir une coefficient de l'amplitude initiale du champ tel que :

  (214)

et nous retrouvons donc ici une relation très similaire une transformée de Fourier inverse (cf. chapitre sur les Suites Et Séries) ce qui est remarquable! Alors l'astuce consiste maintenant à poser  car la relation précédente n'est alors pas qu'une simple analogie avec la transformée de Fourier, c'est une transformée de Fourier!

Nous pouvons donc relier le champ réel  au champ  :

  (215)

Ces deux relations étant souvent condensées sous la forme :

  (216)

Le champ réel est donc à l'instant initial la transformée de Fourier inverse du champ . Le terme  représente donc la composante spectrale liée au vecteur d'onde particulier  du champ réel. Cette solution générale de l'équation des ondes s'appelle un "paquet d'ondes"

 

Rappels :

R1.Identiquement à la mécanique ondulatoire (cf. chapitre de Mécanique Ondulatoire), les coefficients  (pulsation) et (nombre d'onde) sont exigés pour exprimer la variation du sinus par des radians et pour lui donner une direction et une pulsation.

R2. La périodicité dans le temps de la fonction sinus impose:

  (217)

d'où la définition de la période de l'onde :

  (218)

R3. La périodicité dans l'espace donne permet de définir façon identique la longueur d'onde de la fonction comme :

  (219)

Nous constatons donc que l'onde plane se déplace selon x en parcourant une distance  en un temps . La vitesse de l'onde électromagnétique est alors:

  (220)

En introduisant:

  (221)

dans  nous obtenons le résultat remarquable pour l'onde plane oscillatoire:

  (222)

équation de helmoltz

Maintenant, examinons en détail une autre solution de la forme :

  (223)

où cette fois-ci, nous faisons explicitement mention des coordonnées afin d'éviter toute confusion.

Remarque: La solution particulière avec le cosinus est plus appréciée par les enseignants que celle avec le sinus car elle permet comme nous allons le voir, une écriture condensée avec les phaseurs (cf. chapitre de Mécanique Ondulatoire).

Si nous utilisons la notion de phaseur, nous pouvons récrire cette solution sous la forme :

  (224)

Donc :

  (225)

dans l'équation d'onde :

  (226)

nous obtenons :

  (227)

qui n'est d'autre que"l'équation de Helmoltz" (pour l'électrodynamique) à un dimension. Il s'agit bêtement de l'équation d'onde écrite d'une manière traditionelle particulière que l'on retrouve dans de nombreux autres domaines de la physique.

Énergie véhiculée

Il est évident que toute onde électromagnétique transporte donc de l'énergie. Exprimons la valeur de cette énergie. 

La direction de propagation d'une onde électromagnétique étant celle du vecteur , nous définissons alors le vecteur de Poynting  comme:

  (228)

dont la valeur s'exprime en joules par seconde et par unité de surface:

La norme du vecteur de Poynting représente donc la puissance instantanée qui est transportée par l'onde électromagnétique à travers une surface unitaire, perpendiculaire (nous insistons sur le "perpendiculaire") à sa direction de propagation. Dès lors, nous pouvons aussi écrire le vecteur de Poynting sous la forme (attention à ne pas confondre l'énergie et le champ électrique qui sont représenté par la même lettre) :

  (229)

où est comme à l'habitude le vecteur unitaire perpendiculaire à (cette dernière relation nous sera utile pour étudier une petite propriété du rayonnement synchrotron).

Pour une onde électromagnétique plane, la norme du vecteur de Poynting vaut:

  (230)

Cette grandeur varie en fonction du temps et du lieu. En un endroit donné, sa valeur moyenne est la valeur moyenne du pendant une période :

Rappel:

  (231)

Donc :

  (232)

La valeur moyenne du vecteur de Poynting d'une onde électromagnétique plane est une constante… qui ne dépend ni de la position et du temps.

Remarque: Nous pouvons faire un analogie osée et amusante avec l'électronique en faisant une analyse dimensionnelle du produit ci-dessus. Nous avons :

  (233)

...pour démontrer l'énergie contenue dans une unité de volume les physiciens pragmatiques feraient une analyse dimensionnelle. Evitons cela et intéressons nous toujours au cas particulier de l'onde plane:

Basons nous sur l'énergie électrique d'une capacité plane idéale productrice d'ondes électromagnétiques planes avec un rendement de 100%:

  (234)

et notons la densité volumique d'énergie :

  (235)

d'où nous tirons que : 

  (236)

et l'énergie totale transportée par l'onde électromagnétique dans ce cas particulier est donc:

    (237)

Donc la densité d'énergie électrique d'une onde électromagnétique est égale à sa densité d'énergie magnétique.

De par ce résultat, nous sommes amenés à définir "l'intensité I (moyenne) d'une onde électromagnétique" par la valeur moyenne de son vecteur de Poynting:

  (238)

C'est donc la puissance moyenne que transporte l'onde par unité de surface. Or, nous avons démontré plus haut l'expression moyenne du vecteur de Poynting, ce qui nous amène à écrire :

  (239)

Maintenant, utilisant la relation entre énergie et quantité de mouvement (cf. chapitre de Physique Quantique Ondulatoire):

  (240)

nous obtenons la densité de quantité de mouvement de l'onde électromagnétique:

  (241)

Or si la direction de  est perpendiculaire au front d'onde et est donc confondue avec la direction de propagation de l'onde son module est:

  (242)

Nous avons donc pour la densité de quantité de mouvement:

  (243)

Comme la quantité de mouvement doit avoir la direction de la propagation, nous pouvons écrire sous forme vectorielle:

  (244)

Si une onde électromagnétique possède de la quantité de mouvement, elle possède aussi une densité de moment cinétique. Le moment cinétique par unité de volume est alors:

  (245)

Ainsi, une onde électromagnétique transporte de la quantité de mouvement et du moment cinétique aussi bien que de l'énergie!!!

Ce résultat n'est pas surprenant. Une interaction électromagnétique entre deux charges électriques implique un échange d'énergie et de quantité de mouvement entre les charges. Cela s'effectue par l'intermédiaire du champ électromagnétique qui transporte une densité d'énergie et de quantité de mouvement échangés.

ÉMISSIONS

Pour prévoir la forme et les propriétés du rayonnement émis par des antennes ou autres sources il faudrait rigoureusement faire appel à des ordinateurs et aux modèles numériques correspondants au problème à étudier. Formellement, le résolution des équations de Maxwell dans des systèmes macroscopiques est assez difficile et prend du temps. De plus, ceci est plutôt le travail de l'ingénieur qui cherche une exploitation pratique à partir de théories fondamentales. Le physicien théoricien s'intéresse aux fondements de l'univers et aux systèmes isolés et parfaits. 

Cependant, nous souhaiterions exposer la théorie de la diffraction et pour cela , nous devons faire un crochet théorique à une approximation des propriétés du rayonnement d'une source ponctuelle sphérique dans le vide.

L'onde dans le cas d'une source ponctuelle sphérique se propage sphériquement dans l'espace (nous parle alors "d'onde sphérique")  et le vecteur de Poynting est radial.

Les vecteurs  et  sont localement contenus dans le plan tangent à la sphère de rayon r (c'est logique!).

Pour que le flux d'énergie soit constant, l'intensité de l'onde doit diminuer avec la distance. En effet, la conservation de l'énergie impose qu'à travers une sphère de rayon  l'énergie  rayonnée par unité de temps soit égale à celle  qui traverse la sphère de rayon :

  (246)

Ceci implique naturellement:

  (247)

Mais:

  (248)

ce qui implique:

  (249)

Nous pouvons faire de même pour la composante du champ magnétique.

Conclusion : l'intensité I d'une onde électromagnétique sphérique se propageant dans le vide diminue en et l'amplitude des champs électrique et magnétique diminue en 1/r. Par extension (information importante pour les téléphones portables) l'énergie transportée diminue donc en .

Il est facilement compréhensible maintenant d'appréhender pourquoi les phyisciens utilisent systématiquement la fréquence pour caractériser une onde car l'amplitude n'est pas constante dans le vide alors que la fréquence est une sorte de signature de l'émetteur qui ne se perd pas à travers l'espace!!!

RAYONNEMENT SYNCHROTRON

Considérons une charge en mouvement uniforme rectiligne. Les champs électrique et magnétique d'une telle charge ont été étudiés dans les chapitres précédents. Nous avons également démontré plus haut que le champ magnétique est dans cette configuration, toujours perpendiculaire au champ électrique. Conséquence : le champ électrique est radial et le champ magnétique transversal.

Conséquence : si nous entourons la particule en mouvement d'une surface sphérique fermée imaginaire, nous avons alors trivialement (voir la définition du vecteur de Poynting) :

  (250)

puisque effectivement, en tout point de la surface, en est perpendiculaire, tangent, donc et est égal à un angle droit donc le produit scalaire est nul. tangent aussi et donc l'angle entre

Conclusion : le flux total d'énergie rayonnée est nul pour une charge en mouvement rectiligne uniforme. Autrement dit, une charge en mouvement rectiligne uniforme, ne rayonne pas d'énergie électromagnétique mais transporte avec elle l'énergie du champ électromagnétique (nous voilà rassuré !). Ceci est confirmé par les observations expérimentales.

Cependant, la situation est très différente pour une charge en mouvement accéléré. Le champ électrique d'une charge accélérée n'est plus radial et ne possède plus la symétrie par rapport à la charge qu'il possède lorsque le mouvement est uniforme (nous allons le démontrer). Conséquence… une charge électrique accélérée rayonne de l'énergie électromagnétique et donc voit son énergie cinétique diminuer !

Une conclusion importante est qu'il faut, pour maintenir une charge en mouvement accéléré, fournir de l'énergie pour compenser celle perdue par rayonnement. Si la particule au lieu d'être accélérée est décélérée (c'est typiquement ce que nous cherchons à faire en radioprotection) à nouveau la particule va émettre de la même manière le même rayonnement (nous allons le démontrer). C'est ce qui ce produit, par exemple, lorsqu'une charge, telle qu'un électron ou un proton, heure une cible à grande vitesse. Une fraction substantielle de son énergie totale s'en va sous forme d'un rayonnement appelé "rayonnement de freinage" ou plus communément "bremsstrahlung" (de l'allemand Bremsung : freinage; et Strahlung : rayonnement).

Les équations que nous allons déterminer restent valable pour n'importe quel type de mouvement accéléré relativiste ou non. Par exemple, une particule chargée se déplaçant sur une orbite circulaire est soumise à une accélération centripète et émet donc du rayonnement. Par conséquent, lorsqu'un ion est accéléré dans un accélérateur cyclique, comme un cyclotron, un bêtatron ou un synchrotron, une fraction de l'énergie qui lui est fournie est perdue sous forme de rayonnement électromagnétique, cet effet étant relativement plus important dans les accélérateurs cycliques que dans les accélérateurs linéaires.

Quand les charges atteignent des énergies très élevées, comme cela se produit dans les synchrotrons où l'accélération est grande (heureusement pour nous car cela nous permettre de faire une petite approximation fort utile…), les pertes dues au rayonnement, appelé "rayonnement synchrotron", deviennent importantes et constituent une limitation sérieuse dans la construction d'accélérateur cycliques de très haute énergie.

Une autre considération importante se rapport à la structure atomique. Selon le modèle atomique de Rutherford (cf. chapitre de Physique Quantique Corpusculaire), nous imaginons l'atome comme formé d'un noyau central chargé positivement, les électrons chargés négativement décrivant autour de lui des orbites fermées. Mais ceci implique, que les électrons se déplacent suivant un mouvement ayant une accélération et, si nous appliquons les idées développées jusqu'à maintenant, tous les atomes devraient rayonner continuellement de l'énergie (même en l'absence de source d'énergie extérieure comme le Soleil). Par suite de cette perte d'énergie, les orbites électroniques devraient se contracter, amenant à une réduction correspondante de la taille de tous les corps. Heureusement pour nous, cela ne s'observe pas (la matière ne s'effondre pas sur elle-même) mais cela nous amène donc à supposer dans le cadre du modèle de Rutherford que le mouvements des électrons dans les atomes est gouverné par certains principes supplémentaires que nous n'avons pas encore envisagés. C'est ce qui nous amènera à créer le modèle de Bohr de l'atome (cf. chapitre de Physique Quantique Corpusculaire).

Pour déterminer l'énergie émise par une charge en mouvement accéléré nous allons devoir faire usage d'outils mathématique qui ne sont plus du même niveau que ceux utilisés précédemment. Il est donc conseillé que le lecteur ait un bon bagage mathématique. Par ailleurs, exceptionnellement nous ferons usage de logiciels de calculs pour certains point du développement.

Considérons tout d'abord le schéma suivant :

  (251)

Lorsque la distribution de charges et la distribution de courant se trouvent au point , le point M reçoit l'onde électromagnétique émise par les charges et le courant lorsqu'ils étaient au point c'est-à-dire à l'instant t' (à cause de la vitesse limite de la propagation du champ dans l'espace). Le retard temporel est la durée de propagation depuis le point vers le point M, soit :

  (252)

Donc :

  (253)

Soit :

  (254)

Les potentiels au point de coordonnée vectorielle au temps t ont pour expressions :

  (255)

Remarque: Nous allons faire usage de ces deux relations du potentiel dans notre étude du champ rayonné car leur forme mathématique similaire nous permettra, du moins nous l'espérons…, de simplifier les développements.

Ces deux relations nous sont déjà partiellement connues, la première qui exprime le potentiel électrique (retardé) a été démontrée dans le chapitre d'électrostatique dans le cadre non relativiste (donc nos calculs risquent de ne pas être corrects si nous tombons un résultat qui dépend de la vitesse ! … nous verrons bien).

Concernant la deuxième relation qui exprime le potentiel-vecteur retardé, nous avons vu plus haut que était toujours juste au gradient d'une fonction additive près pour (de par les propriétés des opérateurs vectoriels différentiels) tel que :

  (256)

et que soit sous forme relativiste ou non, nous avions :

  (257)

Rappelons aussi (cf. chapitre de Magnétostatique) que :

  (258)

Il s'ensuite que si nous posons :

  (259)

que nous retrouvons la loi de Biot-Savart puisque si et seulement si ne dépend pas de r alors (trivial) :

  (260)

Nous obtenons donc bien :

  (261)

Bien que cette forme du potentiel vecteur ne donne que la loi de Biot-Savart sous forme non relativiste, comme elle satisfait toujours :

  (262)

elle est quand même valable dans le cadre relativiste car cette équation de Maxwell ne dépend pas de la vitesse. De plus, si nos résultats dans l'étude du rayonnement synchrotron nous donne à la fin une expression indépendante explicitement de la vitesse, nous aurons encore une fois confirmé cet état de fait.

POTENTIELS DE LIÉNARD-wIECHERT

Soit le cas où une particule de masse et de charge parcourt une trajectoire . Par rapport à un point origine O, sa coordonnée vectorielle est , son vecteur vitesse sera noté . et son accélération

Si la charge ponctuelle q se situe à l'origine O, nous avons vu dans le chapitre de calcul différentiel et intégral que la fonction de dirac nous donne :

  (263)

ainsi que si la charge ponctuelle q se situe à une abscisse , nous avions :

  (264)

Ce qui vient d'être dit pour un espace à une dimension peut aussi être appliqué à un espace à trois dimensions comme nous l'avions vu et nous écrivons alors :

  (265)

Si nous choisissons pour unités pour la fonction de dirac des , alors nous pouvons écrire :

  (266)

où est alors la charge totale au point .

Pour la distribution de la densité de courant, avons de même toujours en choisissant les mêmes unités pour la fonction de dirac :

  (267)

Dès lors au point M, les potentiels au temps t ont pour expression

  (268)

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