$\renewcommand{\vec}[1]{\mathbf{#1}}$ $\newcommand{\fvec}[1]{\vec{\tilde{#1}}}$ $\newcommand{\frho}{\tilde{\rho}}$ $\newcommand{\reels}{\mathbb{R}}$ $\newcommand{\dif}{\mathrm{d}}$ $\newcommand{\eps}{\varepsilon}$

Les équations de Maxwell-Lorentz

Voici un court rappel sur les équations de Maxwell-Lorentz dans le vide et dans la matière.

1. Les équations de Maxwell-Lorentz dans le vide

Dans le système international (SI), les équations de Maxwell-Lorentz dans le vide ont la forme $$\begin{array} {ll }\nabla \cdot \eps_0 \vec{E} = \rho & \nabla \times \dfrac{1}{\mu_0}\vec{B} - \dfrac{\partial \eps_0 \vec{E}}{\partial t} = \vec{J} \\ \nabla \cdot \vec{B} = 0 & \nabla \times \vec{E}+\dfrac{\partial \vec{B}}{\partial t} =0 \end{array}$$ où le champ électrique $\vec{E}$ et l’induction magnétique $\vec{B}$ sont, tout comme la densité de charge $\rho$ et le cou­rant $\vec{J}$, fonction de la position $\vec{x}$ et du temps $t$. Deux constantes inter­vien­nent dans les équations : la perméabilité magnétique du vide $\mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7}$ et la permittivité (diélectrique) du vide $\eps_0 = \dfrac{10^7} {4 \pi c^2}$.

Ces équations sont complétées par la loi de conservation de la charge $$\dfrac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot \vec{J} = 0.$$

Les équations de Maxwell-Lorentz forment un système d’équations aux dérivées partielles linéaires inhomogènes du premier ordre. Une conséquence fonda­men­tale de ce fait est qu’on peut superposer des solutions dues des sources séparées $\rho_i$, $\vec{J}_i$ et obtenir une solution pour la source totale. On peut également ajouter à une solution donnée n’importe quelle solution des équations homogènes (c.-à-d. avec $\rho = 0$ et $\vec{J} = 0$) et garder une solution du système.

2. Polarisation, conduction et magnétisation

Polarisation

Les milieux matériels sont formés d’atomes consistant chacun en un noyau positif et un certain nombre d’élec­trons négatifs. Dans les diélectriques, tous les électrons de chaque atome $i$ restent localisés en un nuage près du noyau. Lorsqu’on applique un champ électrique, le nuage se déforme, donnant lieu à une source qu’en première approximation on peut modéliser comme un dipôle ponctuel : $$\rho_{i} = -\vec{p}_i \cdot \nabla \delta (\vec{x}-\vec{x}_i),~~\vec{J}_{i}=\dfrac{d \vec{p}_i}{dt} \delta (\vec{x}-\vec{x}_i).$$

Au niveau macroscopique, le phénomène résulte en une polarisation $\vec{P} \approx \sum \vec{p}_i \delta (\vec{x}-\vec{x}_i)$ qui génère la densité de charge et le courant de polarisation $$\rho_{pol} = -\nabla \cdot\vec{P},~~\vec{J}_{pol}=\dfrac{\partial \vec{P}}{\partial t}.$$

Conduction

Dans les métaux, au contraire, une partie des électrons des atomes peut se déplacer librement dans le matériau. En présence d’un champ électrique, ils sont à la fois accélérés par le champ et freinés par les collisions avec les atomes. Il en résulte généralement un courant proportionnel au champ : $$\vec{J}= \sigma \vec{E}.$$ Cette relation (où $\sigma$ est la conductivité) s’appelle la loi d’Ohm.

Magnétisation

Dans certains matériaux, dits magnétiques, on peut aussi avoir un phénomène appelé magnétisation¹ (notée $\vec{M}$) qui génère un courant de magnétisation selon la formule $$\vec{J}_{mag} = \nabla \times \vec{M}.$$

______________________________________________________________________________

¹ Nous n’insistons pas sur ce phénomène car dans la suite nous nous limiterons aux milieux non magnétiques (voir plus bas).

3. Les équations de Maxwell-Lorentz dans la matière

Dans un milieu matériel, les deux premières équations de Maxwell-Lorentz sont donc de la forme $$\begin{array} {l} \nabla \cdot \eps_0 \vec{E} = \rho_{pol}+\rho \\ \nabla \times \dfrac{1}{\mu_0}\vec{B} - \dfrac{\partial \eps_0 \vec{E}}{\partial t} = \vec{J}_{pol}+\vec{J}+\vec{J}_{mag} \end{array}$$ où $\rho$ et $\vec{J}$ sont la densité de charge et le courant générés par les charges libres. Ces équations peuvent se réécrire $$\begin{array} {l} \nabla \cdot \eps_0 \vec{E}+\nabla \cdot\vec{P} = \rho \\ \nabla \times \dfrac{1}{\mu_0}\vec{B}-\nabla \times \vec{M} - \dfrac{\partial \eps_0 \vec{E}}{\partial t}-\dfrac{\partial \vec{P}}{\partial t} = \vec{J}. \end{array}$$ Si on définit le déplacement (ou induction) électrique $\vec{D}$ et le champ magnétique $\vec{H}$ par les formules

$$\vec{D} = \eps_0 \vec{E}+\vec{P}$$ et $$\vec{H} = \dfrac{1}{\mu_0}\vec{B}- \vec{M},$$ les équations de Maxwell-Lorentz prennent alors la forme beaucoup plus simple

$$\begin{array} {ll }\nabla \cdot \vec{D} = \rho & \nabla \times \vec{H} - \dfrac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \vec{J} \\ \nabla \cdot \vec{B} = 0 & \nabla \times \vec{E}+\dfrac{\partial \vec{B}}{\partial t} =0. \end{array}$$

4. Milieux non magnétiques linéaires

Dans le suite, sauf mention explicite du contraire, nous nous limiterons aux milieux non magnétiques linéaires, c.-à-d. les milieux où $\vec{M} = 0$ (et donc $\vec{H} = \dfrac{1}{\mu_0}\vec{B}$ ) et où la relation entre $\vec{D}$ et $\vec{E}$ est linéaire. Dans ces milieux, les propriétés de linéarité mentionnées à la section 1 restent valides.

5. Notes et références

La référence classique en électromagnétisme est (ou du moins, de mon temps, était) : John David Jackson. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc. 1962. (Il existe des éditions plus récentes.) Je consulte aussi de temps en temps Leonard Eyges. The Classical Electromagnetic Field. Addison-Wesley Publishing Company. 1972.

Il y a une grande pression au Canada pour qu’on utilise le système SI. Il est parfait pour faire de l’électro­tech­nique, mais pour ce qui est de l’optique physique ou de la mécanique quantique, je préfère de loin le système gaussien.

Accueil