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

Rayonnement dipolaire électrique

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

Le rayonnement dipolaire électrique est produit par une charge oscillante $q(t) = q_0 \cos(\omega t)$. Le moment dipolaire est $\vec{p}(t) = p_0 \cos(\omega t) \vec{u}z$. En zone lointaine ($r \gg \lambda$ et $r \gg d$), le champ électrique rayonné est : $$\vec{E}(r, \theta, t) = -\frac{\mu_0 p_0 \omega^2}{4\pi} \frac{\sin\theta}{r} \cos(\omega(t - r/c)) \vec{u}\theta$$ La puissance moyenne rayonnée est donnée par la formule de Larmor : $$\langle P \rangle = \frac{\mu_0 p_0^2 \omega^4}{12\pi c}$$

Méthodes à maîtriser

  1. Passage en notation complexe : Utiliser $\underline{\vec{p}} = p_0 e^{j\omega t} \vec{u}_z$ pour simplifier les dérivées temporelles.
  2. Calcul du vecteur de Poynting : $\vec{\Pi} = \frac{1}{\mu_0} (\vec{E} \wedge \vec{B})$. En zone lointaine, $\vec{B} = \frac{1}{c} (\vec{u}_r \wedge \vec{E})$.
  3. Analyse de la directivité : Le rayonnement est nul sur l'axe du dipôle ($\theta = 0$ ou $\pi$) et maximal dans le plan équatorial ($\theta = \pi/2$).

Exemples corrigés

Calcul de la puissance : Pour un dipôle de $p_0 = 10^{-9}$ C.m et $\nu = 100$ MHz, calculer $\langle P \rangle$. $\omega = 2\pi \nu \approx 6,28 \times 10^8$ rad/s. On applique la formule de Larmor avec $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ SI.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le terme $\sin\theta$ dans l'expression du champ.
  • Confondre la zone de rayonnement (proche) et la zone lointaine.
  • Utiliser la valeur efficace au lieu de l'amplitude dans la formule de puissance.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Rayonnement dipolaire électrique

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En zone lointaine, comment varie l'amplitude du champ électrique $E$ avec la distance $r$ ?

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre le champ électrostatique et le champ rayonné ?
  1. Le champ électrostatique décroît en $1/r^2$ ou $1/r^3$ et est lié à des charges fixes.
  2. Le champ rayonné décroît en $1/r$ et transporte de l'énergie à grande distance.

💡 À retenir : Le champ rayonné est le seul qui persiste à très grande distance ($r \to \infty$).

Kifach n-3ref wach ana f-zone lointaine wla la ?
  1. Khass l-masafa $r$ tkoun kbira bzaf 3la toul l-dipole $d$ ($r \gg d$).
  2. Khass $r$ tkoun kbira bzaf 3la toul l-mowaja $\lambda$ ($r \gg \lambda$).

💡 À retenir : Si $r \gg \lambda$, on est en zone de rayonnement (champ lointain).

Pourquoi le rayonnement est nul sur l'axe du dipôle ?
  1. L'expression du champ contient un terme $\sin\theta$.
  2. Pour $\theta = 0$ ou $\theta = \pi$, $\sin\theta = 0$.

💡 À retenir : Un dipôle n'émet aucune onde dans l'axe de son oscillation.

Chno hiya l-fayda dyal vecteur de Poynting f-had l-chapitre ?
  1. Il permet de calculer la densité de flux d'énergie électromagnétique.
  2. Il indique la direction de propagation de l'onde.

💡 À retenir : L'intégrale du vecteur de Poynting sur une sphère donne la puissance totale rayonnée.

Est-ce que le rayonnement dépend de la fréquence ?

Oui, la puissance rayonnée est proportionnelle à $\omega^4$. Plus la fréquence est élevée, plus le dipôle rayonne intensément.

💡 À retenir : $\langle P \rangle \propto \omega^4$.

Kifach n-hseb l-champ magnétique vec{B} ila 3ndi vec{E} ?
  1. En zone lointaine, l'onde est plane locale.
  2. On utilise la relation $\vec{B} = \frac{1}{c} (\vec{u}_r \wedge \vec{E})$.

💡 À retenir : $\vec{E}$, $\vec{B}$ et $\vec{u}_r$ forment un trièdre direct.

Le dipôle est-il une source isotrope ?

Non, il est anisotrope car le rayonnement dépend de l'angle $\theta$.

💡 À retenir : Le rayonnement est maximal dans le plan équatorial ($\theta = \pi/2$).

Quelle est l'unité de la puissance rayonnée ?

L'unité est le Watt (W).

💡 À retenir : La puissance est une énergie par unité de temps.

Est-ce que le champ rayonné dépend de la distance r ?

Oui, l'amplitude du champ électrique est inversement proportionnelle à la distance $r$.

💡 À retenir : $E \propto 1/r$.

Pourquoi on utilise la notation complexe ?

Pour manipuler plus facilement les dérivées temporelles (remplacer $d/dt$ par $j\omega$).

💡 À retenir : La partie réelle donne la valeur physique mesurable.

Est-ce que le vide absorbe l'onde rayonnée ?

Non, dans le vide, l'onde se propage sans atténuation autre que la divergence géométrique ($1/r$).

💡 À retenir : L'énergie se conserve, elle se répartit sur une surface de plus en plus grande.

Le dipôle peut-il rayonner s'il est statique ?

Non, il faut une accélération des charges ($\omega \neq 0$) pour qu'il y ait rayonnement.

💡 À retenir : Une charge immobile ou en mouvement uniforme ne rayonne pas.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un dipôle électrique oscillant est caractérisé par un moment dipolaire $\vec{p}(t) = p_0 \cos(\omega t) \vec{u}_z$.

  1. Rappeler l'expression du champ électrique $\vec{E}$ en zone lointaine.
  2. Calculer le vecteur de Poynting moyen $\langle \vec{\Pi} \rangle$.
  3. En déduire la puissance moyenne rayonnée $\langle P \rangle$.
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Exercice 2

Un dipôle a une fréquence de travail $f = 100$ MHz. Le moment dipolaire maximal est $p_0 = 10^{-10}$ C.m. Calculer la puissance moyenne rayonnée. (Données : $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ SI, $c = 3 \times 10^8$ m/s).

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Exercice 3

Montrer que la puissance rayonnée par un dipôle est proportionnelle à la puissance quatrième de la fréquence.

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