Ondes dans les plasmas

Documents pareils
5. Les conducteurs électriques

Caractéristiques des ondes

Chapitre 6 La lumière des étoiles Physique

Champ électromagnétique?

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

PRODUIRE DES SIGNAUX 1 : LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES, SUPPORT DE CHOIX POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS

Interactions des rayonnements avec la matière

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

Panorama de l astronomie. 7. Spectroscopie et applications astrophysiques

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

G.P. DNS02 Septembre Réfraction...1 I.Préliminaires...1 II.Première partie...1 III.Deuxième partie...3. Réfraction

TD 9 Problème à deux corps

Partie Observer : Ondes et matière CHAP 04-ACT/DOC Analyse spectrale : Spectroscopies IR et RMN

Correction ex feuille Etoiles-Spectres.

Résonance Magnétique Nucléaire : RMN

DIFFRACTion des ondes

M1107 : Initiation à la mesure du signal. T_MesSig

Chapitre1: Concepts fondamentaux

Lycée Galilée Gennevilliers. chap. 6. JALLU Laurent. I. Introduction... 2 La source d énergie nucléaire... 2

Plan du chapitre «Milieux diélectriques»

Rayonnements dans l univers

par Alain Bonnier, D.Sc.

Rapport. Mesures de champ de très basses fréquences à proximité d antennes de stations de base GSM et UMTS

Les moyens d observations en astronomie & astrophysique

Qu est-ce qui cause ces taches à la surface du Soleil?

1STI2D - Les ondes au service de la santé

ANALYSE SPECTRALE. monochromateur

INTRODUCTION À LA SPECTROSCOPIE

Structure quantique cohérente et incohérente de l eau liquide

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

NUAGES INTERSTELLAIRES ET NEBULEUSES

Multichronomètre SA10 Présentation générale

NOTICE DOUBLE DIPLÔME

Chapitre 2 Les ondes progressives périodiques

ÉNERGIE : DÉFINITIONS ET PRINCIPES

Contenu pédagogique des unités d enseignement Semestre 1(1 ère année) Domaine : Sciences et techniques et Sciences de la matière

Les Contrôles Non Destructifs

Le second nuage : questions autour de la lumière

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

Ecole Centrale d Electronique VA «Réseaux haut débit et multimédia» Novembre 2009

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

Séquence 9. Étudiez le chapitre 11 de physique des «Notions fondamentales» : Physique : Dispersion de la lumière

3ème séance de Mécanique des fluides. Rappels sur les premières séances Aujourd hui : le modèle du fluide parfait. 2 Écoulements potentiels

LE COSMODETECTEUR : UN EXEMPLE DE CHAÎNE DE MESURE

Chapitre 2 Caractéristiques des ondes

Sujet. calculatrice: autorisée durée: 4 heures

Interaction milieux dilués rayonnement Travaux dirigés n 2. Résonance magnétique : approche classique

pka D UN INDICATEUR COLORE

La fonction d onde et l équation de Schrödinger

Chapitre 4 - Spectroscopie rotationnelle

PROGRAMME DE PHYSIQUE - CHIMIE EN CLASSE DE SECONDE GÉNÉRALE ET TECHNOLOGIQUE

Physique, chapitre 8 : La tension alternative

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

DIPLÔME INTERUNIVERSITAIRE D ECHOGRAPHIE. Examen du Tronc Commun sous forme de QCM. Janvier h à 16 h

Chapitre 10 : Radioactivité et réactions nucléaires (chapitre 11 du livre)

Principes généraux de la modélisation de la dispersion atmosphérique

Chap17 - CORRECTİON DES EXERCİCES

10 leçon 2. Leçon n 2 : Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1 er CU)

EXERCICE 2 : SUIVI CINETIQUE D UNE TRANSFORMATION PAR SPECTROPHOTOMETRIE (6 points)

TD1 PROPAGATION DANS UN MILIEU PRESENTANT UN GRADIENT D'INDICE

8/10/10. Les réactions nucléaires

Activité 1 : Rayonnements et absorption par l'atmosphère - Correction

PHYSIQUE 2 - Épreuve écrite

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

Étude et modélisation des étoiles

LE PHYSICIEN FRANCAIS SERGE HAROCHE RECOIT CONJOINTEMENT LE PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2012 AVEC LE PHYSICIEN AMERCAIN DAVID WINELAND

Le concept cellulaire

Panorama de l astronomie

La (les) mesure(s) GPS

Application à l astrophysique ACTIVITE

Energie Nucléaire. Principes, Applications & Enjeux. 6 ème /2015

CULTe Le samedi 9 février2008 à 15h. Conf 1 : WIFI, les bases

CHAPITRE 2 : Structure électronique des molécules

Le pâle écho lumineux du Big Bang vu par le satellite Planck

Molécules et Liaison chimique

INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE NUMERIQUE ECHANTILLONNAGE ET QUANTIFICATION I. ARCHITECTURE DE L ELECRONIQUE NUMERIQUE

Communication parlée L2F01 TD 7 Phonétique acoustique (1) Jiayin GAO <jiayin.gao@univ-paris3.fr> 20 mars 2014

Équivalence masse-énergie

SYSTEME DE PALPAGE A TRANSMISSION RADIO ETUDE DU RECEPTEUR (MI16) DOSSIER DE PRESENTATION. Contenu du dossier :

Compétence 3-1 S EXPRIMER A L ECRIT Fiche professeur

INTERPRÉTATION ET ANOMALIES DE LA PROSPECTION À RÉSONANCE MAGNÉTIQUE (MRS)

TSTI 2D CH X : Exemples de lois à densité 1

Listes de fournitures du secondaire pour la rentrée

Chapitre 6. Réactions nucléaires. 6.1 Généralités Définitions Lois de conservation

ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE - PARTIE D. Mesures sur les fibres optiques

Origine du courant électrique Constitution d un atome

La chanson lumineuse ou Peut-on faire chanter la lumière?

Savoir lire une carte, se situer et s orienter en randonnée

Approche expérimentale du rayonnement électromagnétique émis par un téléphone portable

«SESSION 2009» RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS ET EQUIPEMENTS ASSOCIES. Durée : 2 h 00 (Coef. 3)

EXERCICE II : LE TELEPHONE "POT DE YAOURT" (5 points)

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Transcription:

Ondes dans les plasmas (PC*) 1

Ondes dans les plasmas I Propagation d une onde électromagnétique dans un plasma : 1 Définition d un plasma : Un plasma est un milieu composé d atomes ou de molécules ionisés mais qui reste globalement électriquement neutre. Un plasma d hydrogène est composé de protons (les noyaux d hydrogène) et d électrons libres. La magnétosphère et l ionosphère terrestres. Le cœur des étoiles, exemple de plasma chaud et très dense. Les tubes à néon et le phénomène de la foudre (décharges électriques).

Le 4 ème état de la matière : 3

Applications des plasmas : 4

Où trouve t on des plasmas dans la nature? 5

6

Sous quelle forme se trouvent ces plasmas? 7

Densité volumique de courant dans un plasma : On note V et v les vitesses mésoscopiques d un ion et d un électron. Si un champ électrique extérieur E est appliqué au plasma : dv dv M ee et m ee dt dt dv m dv m V v (V << v) dt M dt M On note n la densité particulaires (nombre d électrons et de protons par unité de volume). La densité volumique du plasma est : (pratiquement celle des électrons) m j v ne j nev + nev ne 1+ v nev ne M et t t m E 8

Equations de Maxwell dans le plasma : L ionosphère est la partie de la haute atmosphère (75 à 50 km d altitude en plusieurs couches) où les gaz sont ionisés par le rayonnement cosmique et par le vent solaire : c est un exemple de plasma. On s intéresse à la propagation d une onde EM plane progressive monochromatique dans un plasma. On note Eet B les champs électrique et magnétique associés à cette onde. Ces champs agissent sur les électrons du plasma et les mettent en mouvement. 9

Equations de Maxwell dans le plasma : div div rot rot E B E B 0 0 B t µ j + ε 0 0 µ 0 E t avec j t v ne t ne m E 10

3 Relation de dispersion des ondes électromagnétiques planes progressives monochromatiques : On cherche une solution complexe des équations de Maxwell sous la forme : 1 ère méthode : E E e et B Be Les équations de Maxwell donnent : i( t k.r) i( t k.r) 0 0 ik.e ik.b 0 ; ik E i B ; ik B µ j + iε µ E Or : Avec c 1 ε 0 µ 0 et ij µ 0 p c m ne ne m E soit (pulsation plasma) : k c p j ne i E m (Equation de Klein-Gordon) 0 0 0 11

nde méthode : On utilise la relation d analyse vectorielle : Soit : rotrote grad(dive) E rotrote ( rotb) µ j + ε µ µ E ε µ t t t m t grad(dive) E E E ne E 0 0 0 0 0 0 D où : ne 1 E µ 0 E + E m c t En régime harmonique forcé : E t E et E k E, d où : k p c (Equation de Klein-Gordon) 1

A haute fréquence, k c et vϕ c : le comportement du plasma est proche de celui du vide (à cause de l inertie des électrons). 13

Si < p, alors k est imaginaire pur : p k ± i ± ik" c Seules les ondes planes monochromatiques de pulsations dans un plasma. > p se propagent Dans le cas contraire, les ondes sont stationnaires et dites évanescentes (évolution exponentielle de l amplitude selon la direction de l onde). 14

4 Structure de l onde plane progressive harmonique : * Vitesse de phase et indice de réfraction du plasma : On se place dans le cas où > p (il y a propagation) : k k p La relation entre k et est non linéaire : le milieu est dispersif. c La vitesse de phase est : v ϕ ( ) k 1 p 1 c 15

L indice de réfraction du plasma est défini par : c n v ϕ ck soit n 1 p < 1 On remarque que : v ϕ () >c et n < 1 Ceci n est pas paradoxal car cette vitesse ne correspond pas à la vitesse de l information ou de l énergie (c est le cas de la vitesse de groupe). 16

* Structure de l onde EM : Le trièdre ( E, B, k ) est direct ke E B v ϕ La structure de l onde plane progressive monochromatique est semblable à celle du vide. Seule la vitesse de phase est différente et dépend de la pulsation de l onde. 17

II Propagation d un groupe d ondes (paquets d ondes), vitesse de groupe : 1 Propagation de deux ondes planes progressives harmoniques de fréquences voisines : On suppose que le vecteur d onde est réel (on ne prend pas en compte l absorption). Soient k 1 k( 1 ) et k k( ) les vecteurs d onde réels des deux ondes. On suppose que 1 et sont proches et l on pose : 1 + k1 + k 0 ; k0 ; δ 1 ; δk k 1 k Avec : δ << 0 et δ k <<k0 On suppose de plus que les deux ondes ont même amplitude. 18

L onde résultante, superposition de deux ondes, a pour amplitude : θ ( xt, ) Acos( t kx) + Acos( t k x) 1 1 Avec : δ δk θ ( xt, ) Acos t x cos( 0t k0x) 1 + k1 + k 0 ; k0 ; δ 1 ; δk k 1 k 19

On observe des battements : Une onde moyenne de vecteur d onde k 0 est enveloppée par une onde enveloppe de vecteur d onde δk 0

Au cours du temps, l onde moyenne constitue une onde plane progressive de 0 vitesse k. 0 L onde enveloppe constitue une onde plane progressive de vitesse Ces vitesses n étant en général pas identiques, les crêtes de l onde moyenne avance à une vitesse différente de celle des crêtes de l onde enveloppe. δ δk. 1

Animation Regressi

Généralisation au cas d un paquet d ondes : On appelle paquet d ondes un ensemble d ondes planes progressives harmoniques de pulsations voisines. Plus précisément, leurs pulsations sont comprises dans l intervalle : 0, 0 + avec << 0 Une illustration de la vitesse de phase et de la vitesse de groupe. 3

On voit apparaître une onde moyenne de pulsation 0 se propageant à la vitesse de phase : et une onde enveloppe qui se propage à la vitesse de groupe : v ϕ k 0 0 v g d dk 0 Les vitesses de phase et de groupe sont a priori différentes et le paquet d ondes se propage en se déformant. 4

v ; k v ϕ g d dk (Paquet d'ondes avec déformation) 5

3 Retour à la structure de l onde plane progressive harmonique : * Vitesse de groupe : La vitesse de groupe vaut : v g d dk Pour la calculer, on différentie l équation de dispersion : D où : k p c v p g 1 c On constate que : v g < c et que v v g ϕ c 6

7

Quelques ordres de grandeurs : L ionosphère est la partie de la haute atmosphère (75 à 50 km d altitude en plusieurs couches) où les gaz sont ionisés par le rayonnement cosmique et par le vent solaire. La densité particulaire des électrons dans l ionosphère est de l ordre de 10 10 3 m à 1 10 5 3 m et la fréquence plasma de l ordre de 7 ν p 10 Hz. Pour ν 10 Hz < νp, l ionosphère joue le rôle de réflecteur : ceci explique la 1 ère liaison radio transatlantique réalisée par Marconi en 1901. Ainsi des ondes radio en modulation d amplitude peuvent atteindre des points très éloignés sur le globe. 8 Pour ν 10 Hz > νp, l ionosphère est «transparente». Ces fréquences sont utilisées pour communiquer avec les satellites. 8

Autre exemple : France inter GO et France Info FM France Inter GO a pour fréquence f GO 164 khz et France info FM f FM 105,5 MHz. On voit que : f <ν < GO p f FM Ainsi, les GO se réfléchissent sur l ionosphère et pourront être captées à des distances nettement plus importantes du lieu d émission que France Info dont les ondes se propagent dans l ionosphère. 9

III Compléments : aspect énergétique (coefficients de réflexion et de transmission) : Le plasma occupe le demi-espace z > 0. Une OPPH incidente se propage dans le vide et atteint le plasma sous incidence normale. Définir les coefficients (éventuellement complexes) r et τ de réflexion et de transmission en amplitude (pour le champ électrique). Les exprimer en fonction de n (). Définir et calculer les coefficients réels R et T de réflexion et de transmission en intensité. Tracer la courbe donnant R ). Commenter. p ( 30

Effet Faraday dans un plasma : 31