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Physique · Écoles d'ingénieurs — INPT

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 unifient l'électromagnétisme :

  1. Maxwell-Gauss : $\text{div} \vec{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0}$
  2. Maxwell-Thomson : $\text{div} \vec{B} = 0$
  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, Stokes).
  • Identifier le courant de déplacement dans un condensateur.
  • Vérifier la conservation de la charge : $\text{div} \vec{j} + \frac{\partial \rho}{\partial t} = 0$.

Exemples corrigés

  • Calcul du courant de déplacement entre les armatures d'un condensateur plan : $I_d = \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt}$.
  • Application du théorème d'Ampère généralisé pour un fil parcouru par un courant variable.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le terme de courant de déplacement dans Maxwell-Ampère.
  • Confondre $\text{div}$ (scalaire) et $\text{rot}$ (vecteur).
  • Négliger le signe « moins » dans la loi de Faraday.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Équations de Maxwell

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Quelle équation exprime l'absence de charges magnétiques ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que Maxwell-Faraday s'applique à un circuit fixe ?
  1. Oui, elle est universelle.
  2. Si le circuit est fixe, la variation du flux est due uniquement à la variation de $\vec{B}$.

💡 À retenir : La loi de Faraday est une conséquence directe de Maxwell-Faraday.

Pourquoi on utilise le rotationnel dans Maxwell ?
  1. Pour décrire la structure tourbillonnaire des champs.
  2. $\vec{\text{rot}} \vec{E}$ décrit comment le champ électrique « tourne » autour d'une variation de $\vec{B}$.

💡 À retenir : Le rotationnel est l'outil mathématique des champs induits.

Est-ce que Maxwell-Gauss change dans un milieu matériel ?
  1. Oui, on utilise $\vec{D}$ (induction électrique) : $\text{div} \vec{D} = \rho_{libre}$.
  2. Dans le vide, $\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E}$.

💡 À retenir : La forme avec $\varepsilon_0$ est réservée au vide.

Comment Maxwell a-t-il unifié l'optique ?
  1. En montrant que ses équations prédisent des ondes se propageant à la vitesse $c = 1/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}$.
  2. Il a identifié cette vitesse à celle de la lumière.

💡 À retenir : La lumière est une onde électromagnétique.

C'est quoi le courant de déplacement ?
  1. C'est un terme ajouté par Maxwell à l'équation d'Ampère.
  2. Il n'est pas lié au mouvement réel des charges, mais à la variation temporelle du champ électrique.
  3. Il permet de maintenir la cohérence des équations de Maxwell.

💡 À retenir : Le courant de déplacement existe même dans le vide si le champ électrique varie.

Kifach n7seb l-courant de déplacement f-condensateur ?
  1. Hseb l-champ électrique $E$ bin l-armatures : $E = \frac{Q}{\varepsilon_0 S}$.
  2. Hseb l-flux $\Phi_E = E \cdot S = \frac{Q}{\varepsilon_0}$.
  3. St3mel l-3alaqa $I_d = \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt} = \frac{dQ}{dt}$.

💡 À retenir : $I_d$ est égal au courant de conduction qui arrive aux armatures.

Pourquoi la divergence de B est nulle ?
  1. Cela signifie qu'il n'existe pas de « charge magnétique » isolée (monopôle).
  2. Les lignes de champ magnétique sont toujours fermées.

💡 À retenir : Le flux magnétique à travers une surface fermée est toujours nul.

Chno hiya l-far9 bin Maxwell-Ampère et Ampère classique ?
  1. Ampère classique : $\vec{\text{rot}} \vec{B} = \mu_0 \vec{j}$.
  2. Maxwell-Ampère : ajoute $\mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$.
  3. Le terme ajouté est indispensable pour les régimes variables.

💡 À retenir : L'équation classique est un cas particulier (régime permanent).

Est-ce que le champ électrique est toujours conservatif ?
  1. Non, seulement en électrostatique ($\vec{\text{rot}} \vec{E} = 0$).
  2. En régime variable, $\vec{\text{rot}} \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \neq 0$.

💡 À retenir : Le champ électrique devient « induit » quand le champ magnétique varie.

Wach l-courant de déplacement kay-taji moujale maghnatissi ?
  1. Oui, c'est ce que dit l'équation de Maxwell-Ampère.
  2. Toute variation de champ électrique crée un champ magnétique, même sans fil conducteur.

💡 À retenir : C'est la base de la propagation des ondes électromagnétiques.

Comment interpréter text{div} vec{E} = rho / varepsilon0 ?
  1. C'est la forme locale du théorème de Gauss.
  2. Elle montre que les charges électriques sont les sources du champ électrique.

💡 À retenir : Le champ électrique « diverge » à partir des charges positives.

Quelle est l'unité du courant de déplacement ?
  1. Comme tout courant, son unité est l'Ampère (A).
  2. Vérification dimensionnelle : $\varepsilon_0 \frac{d(E \cdot S)}{dt} \rightarrow [Q/V \cdot m] \cdot [V/m \cdot m^2 / s] = [Q/s] = [I]$.

💡 À retenir : L'homogénéité dimensionnelle est une règle d'or en physique.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

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

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Exercice 2

Démontrer l'équation de conservation de la charge à partir des équations de Maxwell.

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Exercice 3

Un champ magnétique uniforme $\vec{B} = B_0 \sin(\omega t) \vec{k}$ règne dans un cylindre de rayon $R$. Déterminer le champ électrique induit $\vec{E}$ à une distance $r < R$ du centre.

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