Electromagnétisme 1

lphys1221  2022-2023  Louvain-la-Neuve

Electromagnétisme 1
10.00 crédits
52.5 h + 52.5 h
Q1
Langue
d'enseignement
Français
Préalables


Il est recommandé que l’étudiant maitrise les bases de la mécanique classique telles que développées dans les cours LPHYS1111 et LPHYS1113. Avoir réussi LMAT1121 est un atout.
Thèmes abordés
Le concept de charges (densité de charge) et de champs électriques, la loi de Coulomb, le potentiel électrique. Introduction de nombreux outils mathématiques (gradient, divergence).
Les concepts de conducteur et de capacité, les courants électriques (notion de densité de courant) et la loi d'Ohm (explication physique).
Les champs produits par des charges en mouvement, transformation du champ électrique et loi d'Ampère. Définition du champ magnétique par la force de Lorentz, notion de rotationnel, notion de potentiel vecteur et loi de Biot-Savart.
Loi de Faraday, concept de force électromotrice, notion de self inductance, courant de déplacement et formulation des Equations de Maxwell au moyen d'équations différentielles.
Éléments de circuits en courants alternatifs, circuit RL, LC, RC et RLC. Ondes électromagnétiques et propagation de la lumière. Notion de paquet d'onde, de vitesse de phase et de vitesse de groupe pour les ondes électromagnétiques.
Ondes à deux et trois dimensions, polarisation. Guide d'ondes et lignes de transmission. Interférence et diffraction et démontrer la légitimité de l'approche de l'optique géométrique.
Champs électriques et magnétiques dans la matière : phénomène de polarisation, concept de champs microscopiques et macroscopiques, champ D, origine du diamagnétisme et du paramagnétisme, magnétisation, champ H, les matériaux ferromagnétiques.
Acquis
d'apprentissage

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :

1

a. Contribution de l'activité au référentiel AA (AA du programme)
AA1 : 1.1, 1.3, 1.4, 1.5
AA2 : 2.1, 2.2, 2.4
AA3 : 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6
AA4 : 4.3
AA6 : 6.3, 6.4
b. Formulation spécifique pour cette activité des AA du programme
A la fin de cette unité d'enseignement, l'étudiant.e sera capable de :
1. formuler mathématiquement les lois de l'électromagnétisme à partir d'observations expérimentales ;
2. distinguer la complémentarité et les liens entre les ensembles charge- courant, champ E- champ B, potentiels V et A ;
3. reconnaître le caractère relatif de certains concepts fondamentaux comme les champs E et B ;
4. reconnaître la puissance d'une approche réductionniste pour la compréhension fondamentale des phénomènes électromagnétiques ;
5. résoudre des problèmes concrets de l'électromagnétisme en appliquant les lois et les théorèmes abordés ;
6. décrire mathématiquement les phénomènes ondulatoires en physique classique ;
7. distinguer les concepts essentiels associés aux ondes électromagnétiques et des relations qu'ils entretiennent ;
8. identifier et formuler les phénomènes importants d'interférence et de diffraction ;
9. manipuler des dispositifs expérimentaux, réaliser des mesures et en faire l'analyse physique.
 
Contenu
L'unité d'enseignement est divisée en différentes sections qui reprennent les différents thèmes abordés :
1. Électrostatique : concept de charges (densité de charge) et de champs, loi de Coulomb
 2. Potentiel électrique : introduction de nombreux outils mathématiques (gradient, divergence)
 3. Champs autour des conducteurs : concept de conducteur et de capacité
 4. Courants électriques : concept de densité de courant, loi d'Ohm (explication physique)
 5. Le champ de charges en mouvement, transformation du champ électrique, loi d'Ampère
 6. Le champ magnétique : définition, par la force de Lorentz, notion de rotationnel, notion de potentiel vecteur et loi de Biot-Savart
 7. Induction électromagnétique et équation de Maxwell. Loi de Faraday, concept de force électromotrice, notion de self inductance, courant de déplacement. Equations de Maxwell
8. Éléments de circuits en courants alternatifs, circuits RLC
9. Champs électriques dans la matière : polarisation, champs microscopiques et macroscopiques, champ D
10. Champs magnétiques dans la matière : origine du diamagnétisme et du paramagnétisme, magnétisation, champ H, les matériaux ferromagnétiques
---------
11. Ondes électromagnétiques
12. Réflexion 
13. Modulation, impulsion et paquets d'ondes électromagnétiques
14. Ondes électromagnétiques à deux et trois dimensions
15. Polarisation de la lumière
16. Interférence et diffraction
17. Éléments d'optique géométrique
Méthodes d'enseignement
Les activités d'enseignement comprennent (1) le cours théorique , (2) les séances d'exercices dirigés, (3) les travaux pratiques en laboratoire, (4) une conférences sur des thématiques liées à l'unité d'enseignement et (5) le monitorat. Il est indispensable de se munir d'une calculatrice scientifique simple aux séances d'exercices dirigés et aux travaux pratiques en laboratoire.
L'ensemble de la matière est exposé au cours théorique via des diapositives et notes au tableau. Les concepts fondamentaux sont illustrés par des applications de la vie courante, des petits films ou animations et des expériences. Les exercices dirigés jouent un rôle essentiel pour la compréhension du cours théorique et permettent d'appliquer les notions théoriques vues à des problèmes concrets.
On insiste sur les concepts physiques par leur description mathématique au départ de faits expérimentaux tels que les lois de Coulomb, d'Ampère et de Faraday. On insiste également sur les notions d'invariance et de conservation de plusieurs quantités physiques. L'unification de ces lois physiques au moyen du concept de charge électrique et de l'interaction électromagnétique qui en découle est mise en évidence.
Ainsi, contrairement aux cours de physique générale habituellement dispensés en sciences, un accent important est mis sur la relativité entre les champs E et B au travers de transformations de Lorentz simples. On décrit aussi les lois de Maxwell au moyen d'équations différentielles et non au moyen d'équations intégrales. Une approche plus inductive est proposée dans le cadre des laboratoires qui sont réduits en nombre afin de permettre une meilleure intégration de l'approche expérimentale (et d'éviter d'en faire uniquement des formations à la métrologie) en lien avec les concepts théoriques développés au cours.
La participation aux séances de travaux pratiques en laboratoire est obligatoire. Un test sera par ailleurs proposé avant chaque séance de laboratoire et ce test peut avoir un impact sur la réussite du cours (voir la section sur le mode d'évaluation). Un rapport de laboratoire pourra être rédigé et remis en fin de séance. Celui-ci sera alors corrigé par l'assistant à des fins pédagogiques mais l'évaluation n'aura pas d'influence sur la note finale de l'examen.
Modes d'évaluation
des acquis des étudiants
L'examen est écrit. Il comporte plusieurs problèmes semblables à ceux résolus aux séances d'exercices dirigés et quelques questions qui ont pour but de vérifier que les notions et développements présentés au cours théorique ont bien été assimilés (questions de compréhension, démonstrations, ...). Il y aura aussi une question en lien direct avec les séances de travaux pratiques en laboratoire et la réussite des tests réalisés préalablement en préparation de ces laboratoires permettront au mieux (en fonction des résultats obtenus) de relever une note de 8,5/20 à 10/20.
En conclusion, tout ce qui est vu au cours théorique, aux séances d'exercices dirigés et aux séances de laboratoire est censé être connu pour l'examen.
Il est indispensable de se munir d'une calculatrice scientifique simple à l'examen.
Les modalités mentionnées ci-dessus sont valables quelle que soit la session.
Autres infos
En fonction des conditions sanitaires, les modalités de l’enseignement ET de l’examen pourraient être réévaluées suivant la situation et les règles en vigueur.
Ressources
en ligne
Les diapositives (avec des liens vers les films ou animations projetés au cours théorique), la liste des exercices à résoudre, les supports des travaux pratiques en laboratoire et d'autres documents utiles sont mis à disposition des étudiant.e.s sur le site MoodleUCLouvain du cours.
Le livre de référence (en Français) étant épuisé, une copie des chapitres du livre se trouvent sur moodleUCL
Bibliographie


Support de cours
  • Cours de physique de Berkeley. Volume 2 : Electricité et magnétisme. Cours de physique de Berkeley, Volume 3 : Ondes (sections et paragraphes relatifs aux ondes électromagnétiques)
Faculté ou entité
en charge


Programmes / formations proposant cette unité d'enseignement (UE)

Intitulé du programme
Sigle
Crédits
Prérequis
Acquis
d'apprentissage
Mineure en physique

Bachelier en sciences physiques