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Physique · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — TSI

Électromagnétisme : Équations de Maxwell

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Les équations de Maxwell régissent l'électromagnétisme classique :

  1. Maxwell-Gauss : $\text{div}(\vec{E}) = \frac{\rho}{\varepsilon_0}$
  2. Maxwell-Flux : $\text{div}(\vec{B}) = 0$
  3. Maxwell-Faraday : $\vec{\text{rot}}(\vec{E}) = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}$
  4. Maxwell-Ampère : $\vec{\text{rot}}(\vec{B}) = \mu_0 \vec{j} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$

Méthodes à maîtriser

  • Passer de la forme locale (différentielle) à la forme intégrale (Théorèmes de Gauss et Ampère-Maxwell).
  • Utiliser les symétries et invariances pour simplifier les calculs de $\vec{E}$ et $\vec{B}$.
  • Identifier le courant de déplacement $\varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$ dans les régimes variables.

Exemples corrigés

Exemple : Dans un condensateur en régime variable, le courant de conduction est nul entre les armatures, mais le courant de déplacement $\varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$ assure la continuité du courant total.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le terme de courant de déplacement dans Maxwell-Ampère en régime variable.
  • Confondre la divergence (scalaire) et le rotationnel (vecteur).
  • Ne pas vérifier les conditions aux limites lors du passage entre deux milieux.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Électromagnétisme : Équations de Maxwell

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Quelle équation traduit l'absence de charges magnétiques ?

❓ Questions fréquentes

Quelles sont les unités de varepsilon0 et mu0 dans le système international ?
  1. $\varepsilon_0$ (F/m ou $A^2 \cdot s^4 \cdot kg^{-1} \cdot m^{-3}$) se déduit de la loi de Coulomb.
  2. $\mu_0$ (H/m ou $T \cdot m/A$) se déduit de la force de Laplace.

💡 À retenir : Le produit $\varepsilon_0 \mu_0 = 1/c^2$ est fondamental.

Kifach n7seb le courant de déplacement f wahed l'exercice ?
  1. Calcule le champ électrique $\vec{E}(t)$ entre les armatures.
  2. Dérive $\vec{E}$ par rapport au temps.
  3. Multiplie par $\varepsilon_0$ et la surface $S$.

💡 À retenir : $I_d = \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt}$.

Est-ce que le champ magnétique peut exister sans courant électrique ?

Oui, selon Maxwell-Ampère, une variation temporelle du champ électrique ($\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$) crée un champ magnétique, même dans le vide.

💡 À retenir : La variation de $\vec{E}$ est une source de $\vec{B}$.

Chno hiya l'différence bin Maxwell-Gauss et Maxwell-Flux ?
  1. Maxwell-Gauss ($\text{div} \vec{E} = \rho/\varepsilon_0$) montre que les charges sont des sources de $\vec{E}$.
  2. Maxwell-Flux ($\text{div} \vec{B} = 0$) montre qu'il n'existe pas de "charges magnétiques" (monopôles).

💡 À retenir : Le flux magnétique est toujours conservatif.

Kifach n3ref wach l'champ est stationnaire ou variable ?

Regarde si les grandeurs dépendent du temps ($t$). Si $\frac{\partial}{\partial t} = 0$, on est en régime stationnaire (magnétostatique/électrostatique).

💡 À retenir : Si $\frac{\partial}{\partial t} \neq 0$, les équations de Maxwell sont couplées.

Pourquoi le rotationnel de E est nul en électrostatique ?

Parce qu'en électrostatique, $\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} = 0$, donc $\vec{\text{rot}}(\vec{E}) = 0$. Cela signifie que le champ est conservatif.

💡 À retenir : $\vec{E} = -\vec{\text{grad}}(V)$.

Est-ce que les équations de Maxwell changent dans un milieu matériel ?

Oui, on introduit la polarisation $\vec{P}$ et l'aimantation $\vec{M}$ (à vérifier par le professeur selon le niveau de détail requis).

💡 À retenir : On utilise souvent $\vec{D}$ (excitation électrique) et $\vec{H}$ (excitation magnétique).

Comment démontrer l'équation de continuité à partir de Maxwell ?
  1. Prends la divergence de Maxwell-Ampère.
  2. Utilise $\text{div}(\vec{\text{rot}} \vec{B}) = 0$.
  3. Remplace $\text{div} \vec{E}$ par $\rho/\varepsilon_0$.

💡 À retenir : $\text{div} \vec{j} + \frac{\partial \rho}{\partial t} = 0$.

Est-ce que le champ magnétique est toujours perpendiculaire au courant ?

Oui, localement, la force de Lorentz et les équations de Maxwell imposent une structure vectorielle où $\vec{B}$ tourne autour de $\vec{j}$.

💡 À retenir : Règle de la main droite.

C'est quoi le rôle du potentiel vecteur vec{A} ?

Il permet de simplifier les calculs de $\vec{B}$ car $\vec{B} = \vec{\text{rot}} \vec{A}$. Il est très utile en électrodynamique.

💡 À retenir : $\vec{A}$ est défini à un gradient près (jauge).

Est-ce que vec{E} et vec{B} sont toujours en phase ?

Non, cela dépend du milieu et de la nature de l'onde (à vérifier par le professeur pour le chapitre propagation).

💡 À retenir : En milieu conducteur, il y a un déphasage.

Comment appliquer Maxwell en coordonnées cylindriques ?

Il faut exprimer $\text{div}$ et $\vec{\text{rot}}$ avec les opérateurs en $(r, \theta, z)$ et respecter les invariances du problème.

💡 À retenir : Simplifie toujours les opérateurs avant de calculer.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit un champ électrique $\vec{E} = E_0 \cos(\omega t - kz) \vec{u}_x$. En utilisant l'équation de Maxwell-Faraday, déterminer le champ magnétique $\vec{B}$ associé.

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Exercice 2

Un condensateur plan de surface $S$ et d'écartement $e$ est soumis à une tension $u(t) = U_0 \cos(\omega t)$. Calculer le courant de déplacement entre les armatures.

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Exercice 3

Démontrer que dans le vide, $\vec{E}$ et $\vec{B}$ vérifient l'équation d'onde.

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