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Électromagnétisme

Génie électrique universitaire · Sujet 7

7.1

Ce que ce cours est, et comment l'utiliser

électromagnétisme — la physique sous-jacente à tout circuit, antenne et moteur. Les circuits masquent les champs à l'intérieur des fils ; ce cours ouvre la boîte. moteur. Les circuits masquent les champs à l'intérieur des fils ; ce cours ouvre la boîte.

  • L'unité 7.1 passe en revue la boîte à outils du calcul vectoriel (opérateurs de EE02, désormais avec coordonnées et symétries).
  • Les unités 7.2–7.4 construisent la statique : électrostatique, magnétostatique et les équations de Maxwell assemblées.
  • Les unités 7.5–7.6 propagent des ondes et les acheminent sur des lignes de transmission.
  • L'unité 7.7 ouvre sur les guides d'ondes et les antennes.

L'histoire continue est un seul lien : une connexion radio 3 GHz entre deux cartes sur un banc de travail — ses champs, son onde, son câble, son guide, ses antennes. Chaque réponse de champ ci-dessous est calculée de deux manières (loi de Gauss vs intégration directe ; loi d'Ampère vs Biot-Savart), et chaque réponse d'onde est vérifiée contre un cas limite (espace libre, conducteur parfait, courant continu).

7.1

Outils des champs vectoriels

Pourquoi c'est important. Le récepteur GPS d'un téléphone capte −130 dBm ; que cela fonctionne dépend de la divergence et du rotationnel. Les opérateurs de EE02 constituent la grammaire ; ici, ils prennent des coordonnées et apprennent le raccourci de symétrie qui rend la géométrie réelle traitable.

L'idée, avec une image. Un champ possède un débit sortant par volume (la divergence) et une circulation par aire (le rotationnel). Avant toucher une intégrale, vérifier la symétrie de la source : sphère complète cylindrique → un cylindre coaxial ($dA = r^{2}\sin θ\,dθ\,dφ$) ; aucune → intégration cylindrique → cylindre coaxial ($dA = r\,dφ\,dl$) ; aucun → direct intégration le long de la formule du champ.

Le théorème de divergence comme comptabilité sur un cube unité : flux sortant des faces égal à la divergence intégrée sur le volume
Un cube, deux chemins : intégrer 6x sur le volume ou compter le flux à travers ses faces

La dérivation. Le théorème de la divergence

$$\oint_{S} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{A} = \int_{V} (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV$$

affirme que l'écoulement net du champ à travers une surface fermée est égal au volume intégral de ses sources. Pour une source symétrique, l'intégrale surfacique se réduit à $E \times A$ ; isoler le champ devient alors une seule ligne — cette unique ligne correspond à chaque exemple de loi de Gauss dans ce cours.

Exemple résolu 1 — divergence avec coordonnées. Prenez $\mathbf{F} = (3x^{2}, 0, 0)$ : $\nabla \cdot \mathbf{F} = \partial(3x^{2})/\partial x = 6x$, donc au point $(2, 0, 0)$, la divergence vaut 12 par unité de volume. Vérifions au point $(−2, 0, 0)$ : le champ pointe toujours selon $+x$ ($3x^{2}$ ne sera jamais négatif), mais la divergence est −12 — le signe indique comment le champ change (la densité de source), pas dans quelle direction il pointe.

Exemple résolu 2 — le théorème appliqué à un cube. Le flux de ce $\mathbf{F}$ sortant du cube unitaire $[0,1]^{3}$, par la voie du volume : $\int_{0}^{1}\int_{0}^{1}\int_{0}^{1} 6x\,dx\,dy\,dz = 6 \cdot \tfrac{1}{2} = 3$. Par la voie surfacique : seul le $x = 1$ porte du flux ($3 \cdot 1 \cdot 1 = 3$ ; la face $x = 0$ a $3x^{2} = 0$, les quatre autres sont parallèles à $\mathbf{F}$) — total 3 ✓. Deux chemins, un nombre : le théorème est une identité comptable que vous pouvez toujours vérifier aisément.

Erreurs fréquentes. Intégrer $r^{2}$ mais dériver $1/r^{2}$ (la plupart des exemples de Gauss masquent une telle étape — écrivez-les toutes explicitement). Oublier la sphère a un $dA = r^{2}\sinθ\,dθ\,dφ$ avec un $r^{2}$ qui annule le champ $1/r^{2}$ — cette annulation EST la méthode. Et l'application de la loi de Gauss à sources asymétriques : aucune symétrie, pas de $E \times A$, pas de raccourci.

Résumé. Divergence = densité d'écoulement, rotationnel = densité de circulation ; la symétrie choisit la surface ; le théorème de la divergence est le double contrôle qui rend chaque réponse ici auto-vérifiante.

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A field can point right and still have negative divergence

$\oint_S\mathbf{F}\cdot d\mathbf{A}=\int_V\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV,\quad \mathbf{F}=(3x^2,0,0)$

Start with the worked unit cube and recover total outward flux 3 by both surface and volume routes. Move the box to negative x, where the field still points right but more enters than leaves. A box centred on zero has cancelling source and sink contributions. Compare the local probes at x = 2 and x = −2 to distinguish field direction from divergence sign.

Vocabulaire Entrainer
English Français
electromagnetics électromagnétisme
divergence/daɪˈvɜːdʒəns/ divergence
curl/kɜːl/ rotor
Gauss's law/ˈɡaʊsɪz lɔː/ loi de Gauss
potential/pəˈtenʃl/ potentiel
7.2

Électrostatique

Pourquoi c'est important. Chaque condensateur, chaque défaut d'isolation, chaque capteur tactile est un problème d'électrostatique portant une étiquette de composant.

L'idée, avec une image. Le champ de Coulomb d'une charge ponctuelle, $E = q/(4\pi\varepsilon_{0}r^{2})\,\hat{r}$, se regroupe dans la loi de Gauss :

$$\oint \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{Q_{enc}}{\varepsilon_{0}},$$

et la symétrie convertit l'intégrale en arithmétique : pour une source sphériquement symétrique, $E \cdot 4\pi r^{2} = Q_{enc}/\varepsilon_{0}$.

Champ électrique d'une sphère uniformément chargée : croissant linéairement avec r à l'intérieur, décroissant comme 1/r² à l'extérieur, égaux en r = a
Sphère uniforme : E ∝ r à l'intérieur, E ∝ 1/r² à l'extérieur, continu à la surface

La démonstration. À l'intérieur d'une sphère uniformément chargée de rayon $a$ et de density $\rho$, the enclosed charge grows as $r^{3}$ while the Gaussian $r^{2}$ ; la capacitance d'une

$$E(r) \cdot 4\pi r^{2} = \frac{\rho \cdot \tfrac{4}{3}\pi r^{3}}{\varepsilon_{0}} \;\Longrightarrow\; E = \frac{\rho r}{3\varepsilon_{0}} \;(r<a), \qquad E = \frac{\rho a^{3}}{3\varepsilon_{0}r^{2}} \;(r>a).$$

Le potentiel empile le champ : $V(r) = -\int_{\infty}^{r} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l}$ ; la capacitance d'une sphère isolée en découle, $C = Q/V = 4\pi\varepsilon_{0}a$ — environ 1.1 pF par cm de rayon, pourquoi les objets dans le vide couplent peu. À une interface diélectrique Les conditions aux limites sont : la composante tangentielle $E$ est continue, normale $D = \varepsilon E$ saut par toute charge de surface libre.

Exemple résolu 1 — la sphère, les deux régions. Avec $\rho = 1\ \mu\text{C/m}^{3}$ et $a = 2$ cm : à la surface $r = a$, les deux formules donnent $E = \rho a/3\varepsilon_{0} = (10^{-6} \cdot 0.02)/(3 \times 8.854 \times 10^{-12}) = 753$ V/m ✓ une seule valeur, deux chemins. À $r = 4$ cm (double du rayon), la formule extérieure donne $753/4 = 188$ V/m — la décroissance $1/r^{2}$, un octave en dehors.

Exemple résolu 2 — passer au diélectrique. Conserver la même densité de charge libre et laisser un diélectrique homogène et linéaire remplir tout l'espace, à l'intérieur et à l'extérieur de la région chargée. Avec $\varepsilon_{r} = 4$, le champ partout diminue d'un facteur 4× et la valeur surfacique devient 188 V/m. Le la polarisation modifie $E$, tandis que $D = \varepsilon E$ reste inchangé pour la même charge libre. La charge liée à l'intérieur de la sphère est $Q_{bound} = -(1 - 1/\varepsilon_{r})Q_{free} = -0.75Q_{free}$. répartie dans le volume chargé. Il n'y a pas de charge liée supplémentaire de surface à $r = a$, car le diélectrique est identique des deux côtés et la polarisation y est continue. Une sphère diélectrique entourée par le vide constitue un problème aux limites différent.

Erreurs courantes. Utiliser $4\pi r^{2}$ lorsque la géométrie est un cylindre ($2\pi r l$). Mélanger $\varepsilon_{0}$ et $\varepsilon = \varepsilon_{0}\varepsilon_{r}$ en cours de problème — choisissez une convention unique pour chaque problème. Et appliquer la forme extérieure (charge ponctuelle) à l'intérieur de la sphère : la charge incluse, et non la charge totale, est ce que Gauss détecte.

Résumé. Loi de Gauss plus symétrie : $E \times A = Q_{enc}/\varepsilon$ ; le champ croît linéairement à l'intérieur, décroît comme $1/r^{2}$ à l'extérieur, coïncide à la surface. Un diélectrique divise les champs par $\varepsilon_{r}$ et stocke la différence comme charge liée.

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The Gaussian surface counts only the charge inside it

$E_r4\pi r^2=Q_{enc}/\varepsilon,\quad D_r=\varepsilon E_r$

Recover the worked sphere surface field of 753 V/m, then probe half the radius for 377 V/m and twice the radius for 188 V/m. Inside, enclosed charge grows as r cubed and the field rises linearly; outside, charge stays fixed and the field falls as inverse radius squared. Fill all space with the same dielectric and compare E with D. Reverse the free charge to see the field direction change without changing the inside/outside law.

Vocabulaire Entrainer
English Français
capacitance/kəˈpæsɪtəns/ capacité
boundary conditions conditions aux limites
Biot-Savart law loi de Biot-Savart
Ampere's law loi d'Ampère
magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ flux magnétique
7.3

Magnétostatique

Pourquoi c’est important. Les moteurs, relais, aimants IRM et tout inducteur commencent par la même paire de lois : Biot-Savart pour le cas général, Ampère lorsque la symétrie est favorable.

L'idée, avec une image. Les courants créent des champs. La loi de Biot-Savart intègre la contribution de chaque élément de courant ; la loi d'Ampère champ autour du courant. Le test de symétrie de l’Unité $\oint \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_{0}I_{enc}$ détermine laquelle utiliser. autour du courant. Le test de symétrie de l'unité 7.1 détermine laquelle utiliser.

Loi d'Ampère sur le solénoïde infini : une boucle rectangulaire coupant N spires englobe NI ampères-tours, produisant un champ B uniforme à l'intérieur et nul à l'extérieur
La boucle d'Amper rectangulaire coupe les enroulements ; le côté long extérieur contribue zéro

prendre une boucle amperienne rectangulaire dont un long côté est à l’intérieur (longueur $n$), prendre une boucle Ampérienne rectangulaire avec un long côté à l'intérieur (longueur $l$), un côté à l'extérieur, et les courts côtés traversant les spires. Le courant enlacé est $n l I$ ; le champ extérieur d'un solénoïde infini s'annule par à l'annulation, et les côtés courts ne contribuent rien (champ perpendiculaire à Flux magnétique $B \cdot l = \mu_{0} n l I$ mène à

$$B = \mu_{0} n I \quad \text{(inside, uniform)}, \qquad B \approx 0 \;\; \text{(outside)}.$$

Flux magnétique $\Phi = \int \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A}$ mène à inductance $L = N\Phi/I$ ; pour le solénoïde, $L/l = \mu_{0}n^{2}A$. Le dans un cercle de rayon $\mathbf{F} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$ — l’orbite cyclotronique. en cercle de rayon $r = mv/qB$ — l'orbite cyclotronique.

Exemple résolu 1 — le solénoïde calculé. Avec $n = 1000$ spires/m et $I = 2$ A : $B = 4\pi \times 10^{-7} \times 1000 \times 2 = 2.51$ mT à l'intérieur, uniforme le long de l'axe. Une vérification par Biot–Savart intégrerait mille boucles — c'est pourquoi le test de symétrie précède tout : une ligne au lieu d'une page.

Exemple résolu 2 — l'orbite et la force. Une charge $1\ \mu$C se déplaçant à $10^{6}$ m/s perpendiculairement à un champ $1$ T subit une force de $F = qvB = 10^{-6} \times 10^{6} \times 1 = 1$ N — et décrit un cercle de rayon $r = mv/qB$ : pour un électron (masse $m = 9.11 \times 10^{-31}$ kg), rayon $r = (9.11 \times 10^{-31} \times 10^{6})/(1.6 \times 10^{-19} \times 1) = 5.7\ \mu$m — ce rayon cyclotronique détermine la géométrie du magnétron et du spectromètre. Vérifiez la vitesse : un électron à $10^{6}$ m/s possède une énergie de 2.85 eV — clairement non relativiste, donc la formule est valide.

Erreurs fréquentes. Oublier que la loi d'Ampère exige le COURANT TOTAL enlacé (boucle avec $N$ spires → courant total $NI$). Supposer que $\mathbf{B}$ est continue à travers une feuille de courant (sa composante tangentielle subit un saut de $\mu_{0}K$). Et appliquer la formule du solénoïde à une bobine courte : « infini » signifie longueur ≫ diamètre, sinon le champ est plus faible et non uniforme.

Résumé. Ampère plus symétrie : $B \cdot l = \mu_{0}I_{enc}$ ; le solénoïde infini concentre le flux, le solénoïde concentre le flux, $B = \mu_{0}nI$, $L/l = \mu_{0}n^{2}A$ ; en se déplaçant, une charge circule à $r = mv/qB$.

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A long coil is nearly infinite at its centre, not at its ends

$B_{\infty}=\mu_0nI,\quad B_z(0)=B_{\infty}\frac{L}{\sqrt{L^2+4R^2}}$

Start with the lesson's n = 1000 turns/m and I = 2 A, giving the infinite-coil value 2.51 mT. Compare a chosen finite coil 20 cm long with radius 1 cm, then shorten it to 2 cm while keeping n and I fixed. Probe the centre, end and beyond the end to see where the infinite-solenoid shortcut loses accuracy. Reversing current changes field direction while the geometric reduction stays the same.

Vocabulaire Entrainer
English Français
inductance/ɪnˈdʌktəns/ inductance
Lorentz force force de Lorentz
displacement current/dɪˈspleɪsmənt ˈkʌrənt/ courant de déplacement
7.4

Équations de Maxwell

Pourquoi c'est important. Chaque radio, chaque photon, chaque chargeur sans fil Le couplage repose sur le seul terme ajouté par Maxwell pour fermer la boucle.

L'idée, avec une image. Statique + courant de déplacement complète l'ensemble :

$$\nabla \cdot \mathbf{E} = \rho/\varepsilon_{0} \qquad \nabla \cdot \mathbf{B} = 0$$
$$\nabla \times \mathbf{E} = -\partial\mathbf{B}/\partial t \qquad \nabla \times \mathbf{B} = \mu_{0}\mathbf{J} + \mu_{0}\varepsilon_{0}\,\partial\mathbf{E}/\partial t$$

Les quatre cases forment une boucle : un $\mathbf{E}$ en circulation rend le champ magnétique $\mathbf{B}$ variable ; un courant de déplacement $\mathbf{B}$ en circulation rend le champ électrique $\mathbf{E}$ variable — auto-entretenu, formant des ondes.

Le condensateur se charge à 1 A : le courant de conduction s'arrête aux plaques, le courant de déplacement poursuit la boucle, les deux boucles d'Ampère indiquent 1 A
L'intégrale de ligne ne peut dépendre de la surface que vous utilisez pour la parcourir — le courant de déplacement rend cela vrai

La démonstration. Conservation de la charge $\nabla \cdot \mathbf{J} = -\partial\rho/\partial t$ impose la correction : prendre la divergence de la loi d'Ampère originale ($\nabla \times \mathbf{B} = \mu_{0}\mathbf{J}$) et le côté gauche est identiquement nul tandis que le côté droit est $-\mu_{0}\partial\rho/\partial t$ — non nul dès lors qu'une charge s'accumule. L'ajout de $\mu_{0}\varepsilon_{0}\partial\mathbf{E}/\partial t$ répare cette incohérence, car la loi de Gauss transforme la divergence de ce terme exactement en $+\mu_{0}\partial\rho/\partial t$. La boucle est fermée.

Exemple résolu 1 — l'ampère manquant du condensateur. Un condensateur à plaques parallèles se charge à $dQ/dt = 1$ A. Entre les plaques, aucun courant de conduction n'existe, pourtant une boucle d'Ampère entourant le fil doit indiquer la même valeur de 1 A, quelle que soit la surface utilisée pour la parcourir. Entre les plaques, le courant de déplacement vaut $E = Q/(\varepsilon_{0}A)$, donc le courant total reste $\varepsilon_{0}A \cdot \partial E/\partial t = dQ/dt = 1$ A ✓ — Le courant de déplacement EST le courant de conduction, numériquement.

Exemple résolu 2 — passer à la vitesse d'onde. Dans un espace sans source ($\rho = 0$, $\mathbf{J} = 0$), prendre le rotationnel de l'équation du $\mathbf{E}$ rotationnel et substituer l'une des $\mathbf{B}$ :

$$\nabla^{2}\mathbf{E} = \mu_{0}\varepsilon_{0}\,\partial^{2}\mathbf{E}/\partial t^{2},$$

l'équation d'onde avec vitesse $c = 1/\sqrt{\mu_{0}\varepsilon_{0}}$. Insérer les valeurs numériques : $1/\sqrt{\mu_{0}\varepsilon_{0}} = 3.0 \times 10^{8}$ m/s — lumière, provenant de deux constantes mesurées sur un banc. Le bilan de liaison du récit en cours commence ici.

Erreurs courantes. Traiter le courant de déplacement comme une comptabilité optionnelle (c'est ce qui rend les équations cohérentes et ce qui transporte l'onde). Oublier quelle équation comporte le signe moins (celle de Faraday : c'est la loi de Lenz, le champ induit s'opposant au changement). Et en appliquant le statique aux antennes : le rayonnement EST le terme correctif qui accomplit son œuvre.

Résumé. Quatre équations, une boucle ; le courant de déplacement ferme la conservation de la charge et, dans le vide, produit l'équation d'onde à $c = 1/\sqrt{\mu_{0}\varepsilon_{0}}$.

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Same loop, two surfaces; Maxwell supplies the missing ampere

$I_D=\varepsilon_0 A\frac{\partial E}{\partial t}=\frac{dQ}{dt}=I$

Start with the worked charging current of 1 A and compare a surface cutting the wire with one passing through the vacuum gap. The original law gives different predictions; including the changing-electric-flux term makes both totals equal. Change plate area to alter the field rate while its product with ε₀A remains the same current. Hold a nonzero stored charge to distinguish electric field from changing electric field.

7.5

Ondes planes

Pourquoi c'est important. Wi-Fi, radar, soleil et la liaison 3 GHz du banc du lien de banc sont tous la même solution : l'onde plane.

L'idée, avec une image. Dans un espace sans source, l'équation d'onde a sa solution la plus simple : une onde plane : $\mathbf{E}$, $\mathbf{B}$ et la direction de propagation mutuellement perpendiculaires, en phase, avec $B = E/c$. L'impédance intrinsèque $\eta_{0} = \sqrt{\mu_{0}/\varepsilon_{0}} = 377\ \Omega$ de l'espace libre fixe le rapport entre $E$ et $H$ ; le vecteur de Poynting $\mathbf{S} = \mathbf{E} \times \mathbf{H}$ pointe dans la direction de propagation avec $S = E^{2}/\eta_{0}$ (instantané ; avec les valeurs efficaces de $E$, c'est la densité de puissance moyenne, tandis qu'un sinus d'amplitude $E_{0}$ a une moyenne de $E_{0}^{2}/2\eta_{0}$).

Onde plane se propageant selon z : E et B oscillent en phase perpendiculairement, avec longueur d'onde 300 m indiquée
E et B en phase et perpendiculaires ; λ = 300 m à 1 MHz

La dérivation. Pour $\mathbf{E} = E_{0}\cos(\omega t - kz)\,\hat{x}$, la loi de Faraday $\partial B/\partial t = -\partial E/\partial z$. La densité de puissance découle de l'impédance : $B = (k/\omega)E = E/c$. La densité de puissance découle de l'impédance : $H = E/\eta_{0}$, donc $S = E \times H = E^{2}/\eta_{0}$ — un nombre par onde.

Exemple résolu 1 — lire les chiffres. Une onde de 100 V/m ( efficace) à 1 MHz : $B = 100/(3 \times 10^{8}) = 0.333\ \mu$ T ; longueur d'onde $\lambda = c/f = 300$ m ; densité de puissance $S = 100^{2}/377 = 26.5$ W/m². Vérifier le tracé d'impédance : $H = 100/377 = 0.265$ A/m, et $E \times H = 26.5$ ✓ — les deux voies concordent car elles représentent le même rapport.

conducteur, l'onde s'atténue selon 2 avec une profondeur de pénétration conducteur, l'onde se dégrade selon $e^{-\alpha z}$ avec la profondeur de pénétration $\delta = \sqrt{2/(\omega\mu\sigma)}$. Cuivre ($\sigma = 5.8 \times 10^{7}$) : à 50 Hz, $\delta = \sqrt{2/(2\pi \cdot 50 \cdot 4\pi \times 10^{-7} \cdot 5.8 \times 10^{7})} = 9.3$ mm ; à 1 GHz, $\delta = 2.1\ \mu$ m — environ 4500 fois plus mince pour vingt millions de fois la fréquence ($\delta \propto 1/\sqrt{f}$ ✓). Ce seul nombre explique pourquoi les blindages fonctionnent, pourquoi le courant RF se propage à la surface et pourquoi le les traces 3 GHz du lien de banc nécessitent un cuivre large et lisse : à 3 GHz, le courant vit dans les 1.2 µm supérieurs, donc la rugosité de surface et tout placage là-dedans déterminent les pertes (or placage protège contre la corrosion ; il conduit moins bien que le cuivre).

Erreurs courantes. Utiliser $c$ dans un diélectrique : la vitesse y est $1/\sqrt{\mu\varepsilon}$ (≈ 0.67c dans le coaxial ci-dessous). Mélanger $E/H$ (377 Ω dans l'espace) avec $E/B$ ($c$ — une vitesse, pas une impédance). Et oublier que les champs de l'onde sont en phase dans un milieu SANS PERTE seulement.

Résumé. Onde plane : $E \perp B \perp \hat{k}$, $B = E/c$, $S = E^{2}/\eta_{0}$ ; les conducteurs absorbent les ondes comme $e^{-z/\delta}$ avec $\delta = \sqrt{2/\omega\mu\sigma}$.

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Both fields reverse; energy still flows forward

$\mathbf{S}=\mathbf{E}\times\mathbf{H},\quad \langle S\rangle=E_{\rm rms}^2/\eta=E_{\rm peak}^2/(2\eta)$

Start with the worked 100 V/m RMS wave at 1 MHz. Its average power is about 26.5 W/m², while its instantaneous power at a field crest is twice that. Reinterpret the same number as a peak field and the average halves. Advance half a cycle to reverse E and H together without reversing the Poynting vector. Compare a uniform dielectric to vacuum, keeping the entered electric field specified.

Vocabulaire Entrainer
English Français
plane wave onde plane
intrinsic impedance impédance intrinsèque
Poynting vector/ˈpɔɪntɪŋ ˈvektə/ vecteur de Poynting
skin depth profondeur de peau
good conductor bon conducteur
telegrapher equations équations du télégraphe
characteristic impedance impédance caractéristique
bounce diagram diagramme des rebonds
cutoff frequency/ˈkʌtɒf ˈfriːkwənsi/ fréquence de coupure
guide wavelength longueur d'onde guide
dipole/ˈdaɪpəʊl/ antenne dipôle
Friis equation équation de Friis
7.6

Lignes de transmission

Pourquoi c'est important. Les deux cartes du lien de banc sont reliées par 40 cm de coaxial ; à 3 GHz, soit six longueurs d'onde — un circuit n'est plus, mais une ligne de transmission.

L'idée, avec une image. Les équations du télégraphe traitent la ligne comme inductance distribuée $L'$ et capacité $C'$ par mètre : $\partial v/\partial x = -L'\partial i/\partial t$ et $\partial i/\partial x = -C'\partial v/\partial t$. Leurs solutions sont des tensions/courants ondes avec $v_{p} = 1/\sqrt{L'C'}$ et l'impédance caractéristique de la ligne $Z_{0} = \sqrt{L'/C'}$.

Diagramme des rebonds pour un échelon de 12 V sur une ligne de 50 ohms vers une charge ouverte : incident 12 V/0.24 A, réflexion +12 V doublant la tension et annulant le courant à la charge
Signature de l'extrémité ouverte : la tension double, le courant passe à zéro

Dérivation. Différencier la première équation de $x$ et la seconde de $t$ et éliminer $\partial^{2}i/\partial x \partial t$ : une équation d'onde pour $v$ avec vitesse $1/\sqrt{L'C'}$. À une charge $Z_{L}$, l'adaptation donne le coefficient de réflexion $\Gamma = (Z_{L} - Z_{0})/(Z_{L} + Z_{0})$ : un court-circuit ($\Gamma = -1$) inverse, une ouverture ($\Gamma = +1$) double la tension et annule le courant — le diagramme de rebond suit chaque rebond.

Exemple résolu 1 — un coaxial réel. Câble coaxial de classe RG-316 avec $L' = 250$ nH/m et $C' = 100$ pF/m : $Z_{0} = \sqrt{250 \times 10^{-9}/100 \times 10^{-12}} = \sqrt{2500} = 50\ \Omega$ ✓ (le câble standard — les chiffres ont été choisis pour que ce soit le cas) ; $v_{p} = 1/\sqrt{250 \times 10^{-9} \times 100 \times 10^{-12}} = 2 \times 10^{8}$ m/s = 0.67c. La liaison de table de 40 cm est SIX longueurs d'onde à 3 GHz ($\lambda = v_{p}/f = 6.7$ cm) — démontrant le point « ligne, pas circuit » avec les composants sur la table.

Exemple résolu 2 — l'échelon ouvert. Alimentez cette ligne 50 Ω par un échelon de 12 V, en bout ouvert. L'onde incidente transporte 12 V et $12/50 = 0.24$ A. À l'ouverture, $\Gamma = +1$ : la réflexion +12 V double la tension aux bornes à 24 V et le courant réfléchi $-0.24$ A annule le courant incident jusqu'à zéro — un circuit ouvert ne tire aucun courant continu ✓, et le rapport d'ondes stationnaires tend vers l'infini, la signature circuit ouvert que le compteur d'ondes stationnaires affiche.

Erreurs courantes. Utiliser $Z_{0}$ comme résistance physique (c'est un rapport ; une ligne sans perte de 50 Ω ne dissipe rien). Calculer $\lambda$ avec $c$ au lieu de $v_{p}$ (erreur de 30% dans le PTFE). Et oublier la réflexion côté source : un générateur désadapté provoque une nouvelle réflexion, et le diagramme de rebond doit réflexion : un générateur désadapté ré-réfléchit, et le diagramme des rebonds doit l'inclure.

Résumé. $Z_{0} = \sqrt{L'/C'}$, $v_{p} = 1/\sqrt{L'C'}$; $\Gamma = (Z_{L}-Z_{0})/(Z_{L}+Z_{0})$ ; double tension ouverte, court-circuit l'annule; les longues lignes sont des ondes, et le diagramme de rebond est la comptabilité.

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Follow the step to the load and back

$\Gamma=(R-Z_0)/(R+Z_0),\quad V=V^++V^-,\quad I=(V^+-V^-)/Z_0$

A 24 V source with 50 Ω series resistance launches the worked 12 V incident step. Follow its finite propagation delay to the open load, where voltage doubles and current cancels. Compare a short and a matched load, then change the source resistance to see whether the returning wave is absorbed or reflected again.

7.7

Guides d'ondes et antennes

Pourquoi c'est important. Au-dessus de ~10 GHz, le coaxial perd trop; le lien de retour (et tout radar) passe dans un tuyau creux, et le dernier mètre de chaque liaison radio est toujours une antenne.

L'idée, avec une image. Un tuyau conducteur creux guide les ondes uniquement au-dessus de la fréquence de coupure : le mode dominant du guide rectangulaire est coupé à $f_{c} = c/(2a)$ ($a$ = dimension large). Au-dessus de la coupure, le longueur d'onde du guide s'étire : $\lambda_{g} = \lambda/\sqrt{1 - (f_{c}/f)^{2}}$ — l'onde zigzague, donc moins axial cycles par mètre de tuyau. Les antennes ferment la liaison : l'antenne demi-onde gain de 2.15 dBi et résistance d'entrée ≈ 73 Ω ; l'équation de Friis évalue toute la liaison : Équation de Friis évalue toute la liaison :

$$P_{r}/P_{t} = G_{r}G_{t}\left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^{2}.$$

Le bilan de liaison Friis sous forme de chaîne : puissance d'émission, gains d'antenne, facteur d'étalonnage, puissance reçue — deux antennes 10-dBi distantes de 1 km à 3 GHz La démonstration. Entre les plaques du guide, le champ doit s'adapter à une

Dérivation. Entre les plaques du guide, le champ doit s'adapter à une onde stationnaire demi-onde sur $a$ : $a = \lambda_{c}/2$ à la coupure, donc $f_{c} = c/2a$. Le long du guide, la constante de propagation satisfait $k_{g}^{2} = k^{2} - (\pi/a)^{2}$; la résolution de l'équation pour la longueur d'onde donne le formule d'étirement ci-dessus. La chaîne Friis multiplie : puissance d'émission × les deux gains × facteur d'étalement $(\lambda/4\pi R)^{2}$ — un rapport de surfaces, le l'ouverture de l'antenne sur la surface de la sphère.

Exemple résolu 1 — WR-90 en bande X. Le guide d'ondes WR-90 a $a = 22.86$ mm : $f_{c} = 3 \times 10^{8}/(2 \times 0.02286) = 6.56$ GHz — bande X (8.2–12.4 GHz) rides above cutoff. At 10 GHz ($\lambda = 30$ mm): $\lambda_{g} = 30/\sqrt{1 - 0.656^{2}} = 39.8$ mm — 33% longer than free space. Check the limit: as $f \to f_{c}$, $\lambda_{g} \to \infty$ (the wave stops); as $f \to \infty$, $\lambda_{g} \to \lambda$ (the zigzag vanishes) ✓.

Worked example 2 — the bench link's budget. Two 10-dBi (G = 10) antennas, 1 m apart on the bench, at 3 GHz ($\lambda = 0.1$ m): $P_{r}/P_{t} = 10 \times 10 \times (0.1/(4\pi \times 1))^{2} = 100 \times 6.33 \times 10^{-5} = 6.3 \times 10^{-3}$ — 22 dB of loss, still easy on the bench. Scale to the same boards 1 km apart: $(0.1/(4\pi \times 1000))^{2} = 6.33 \times 10^{-11}$, times 100 = $6.3 \times 10^{-9}$ (−82 dB) — the link budget that decides dish sizes. One formule suffit pour deux échelles, et leur rapport relève de la pure géométrie ($R^{2}$, a factor of $10^{6}$ ✓).

Common mistakes. Using the guide's NARROW dimension for $f_{c}$ (cutoff is set by the wide one). Applying $\lambda_{g}$ as if it were $\lambda$ in Friis (c'est la longueur d'onde dans l'espace libre qui y appartient). Et indiquer le gain d'un dipôle en dB. sans le « i » : 2.15 dBi est relatif à l'isotrope ; relatif à un dipôle il est nul.

Résumé. Guide : $f_{c} = c/2a$, $\lambda_{g} = \lambda/\sqrt{1-(f_{c}/f)^{2}}$ (étiré, infini au seuil de coupure). Antennes : Friis $P_{r}/P_{t} = G_{r}G_{t}(\lambda/4\pi R)^{2}$ — la géométrie dicte le dernier terme à chaque fois.

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A transverse half-wave decides whether the mode travels

$f_c=c/(2a),\quad \beta^2=k^2-(\pi/a)^2,\quad \lambda_g=2\pi/\beta$

Start with WR-90 at 10 GHz and compare its 39.8 mm guide wavelength with the 30 mm free-space wavelength. Change the wide dimension and frequency to cross cutoff. The transverse field still fits the walls, but the axial pattern changes from a travelling wave to a decaying field. Near cutoff, its phase spacing becomes very long.

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