Une page de Wikiversité, la communauté pédagogique libre.
En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, «
Exercice : PolarisationOndes électromagnétiques/Exercices/Polarisation », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Décrire l'état de polarisation de chacune des 3 ondes représentées par les champs électriques suivants :
E
→
0
=
E
0
cos
(
α
)
cos
(
ω
t
−
k
z
)
E
0
sin
(
α
)
cos
(
ω
t
−
k
z
)
0
{\displaystyle {\vec {E}}_{0}={\begin{array}{|l}E_{0}\cos(\alpha )\cos(\omega t-kz)\\E_{0}\sin(\alpha )\cos(\omega t-kz)\\0\end{array}}}
E
→
1
=
E
1
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
E
1
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
0
{\displaystyle {\vec {E}}_{1}={\begin{array}{|l}E_{1}\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\\E_{1}\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\\0\end{array}}}
E
→
2
=
E
2
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
−
E
2
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
0
{\displaystyle {\vec {E}}_{2}={\begin{array}{|l}E_{2}\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\\-E_{2}\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\\0\end{array}}}
Quel est l'état de polarisation de l'onde dont le champ électrique est
E
→
=
E
→
1
+
E
→
2
{\displaystyle {\vec {E}}={\vec {E}}_{1}+{\vec {E}}_{2}}
en supposant E1 =E2 ?
Solution
1. Soit
u
→
α
cos
(
α
)
sin
(
α
)
0
{\displaystyle {\vec {u}}_{\alpha }{\begin{array}{|l}\cos(\alpha )\\\sin(\alpha )\\0\end{array}}}
.
L'onde 0 est polarisée rectilignement suivant
u
→
α
{\displaystyle {\vec {u}}_{\alpha }}
.
2.
E
1
,
y
=
E
1
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
=
E
1
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
+
3
π
2
)
{\displaystyle E_{1,y}=E_{1}\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)=E_{1}\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)+{\frac {3\pi }{2}}\right)}
L'onde 1 est polarisée circulairement à gauche .
3.
E
2
,
y
=
−
E
2
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
=
E
2
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
+
π
2
)
{\displaystyle E_{2,y}=-E_{2}\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)=E_{2}\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)+{\frac {\pi }{2}}\right)}
L'onde 2 est polarisée circulairement à droite .
4.
E
→
=
2
E
1
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
0
0
{\displaystyle {\vec {E}}={\begin{array}{|l}2E_{1}\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\\0\\0\end{array}}}
L'onde représentée par
E
→
{\displaystyle {\vec {E}}}
est polarisée rectilignement suivant
u
→
x
{\displaystyle {\vec {u}}_{x}}
.
On associe à tout vecteur
V
→
V
x
V
y
V
z
=
0
{\displaystyle {\vec {V}}{\begin{array}{|l}V_{x}\\V_{y}\\V_{z}=0\end{array}}}
de l'espace la grandeur complexe
V
_
=
V
x
+
i
V
y
{\displaystyle {\underline {V}}=V_{x}+iV_{y}}
.
Quelles sont les amplitudes complexes e 1 et e 2 associées aux champs électriques
E
→
1
{\displaystyle {\vec {E}}_{1}}
et
E
→
2
{\displaystyle {\vec {E}}_{2}}
?
Montrer que la quantité complexe associée au champ
E
→
0
{\displaystyle {\vec {E}}_{0}}
est de la forme
E
_
1
=
e
_
1
e
j
ω
t
+
e
_
2
e
−
j
ω
t
{\displaystyle {\underline {E}}_{1}={\underline {e}}_{1}\,e^{j\omega t}+{\underline {e}}_{2}\,e^{-j\omega t}}
. Exprimer les amplitudes complexes e 1 et e 2 . Conclure
Exprimer l'angle entre
E
→
0
{\displaystyle {\vec {E}}_{0}}
et
(
O
,
x
→
)
{\displaystyle (O,{\vec {x}})}
en fonction de
arg
(
e
_
1
⋅
e
_
2
)
{\displaystyle \arg({\underline {e}}_{1}\cdot {\underline {e}}_{2})}
Solution
1.
E
_
1
=
E
1
[
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
+
j
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
]
=
E
1
e
j
ω
t
exp
(
−
j
ω
z
c
)
{\displaystyle {\underline {E}}_{1}=E_{1}\left[\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)+j\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\right]=E_{1}e^{j\omega t}\exp \left(-j\omega {\frac {z}{c}}\right)}
E
_
2
=
E
2
[
cos
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
−
j
sin
(
ω
(
t
−
z
c
)
)
]
=
E
2
e
−
j
ω
t
exp
(
j
ω
z
c
)
{\displaystyle {\underline {E}}_{2}=E_{2}\left[\cos \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)-j\sin \left(\omega \left(t-{\frac {z}{c}}\right)\right)\right]=E_{2}e^{-j\omega t}\exp \left(j\omega {\frac {z}{c}}\right)}
Donc
{
e
_
1
=
E
1
exp
(
−
j
ω
z
c
)
e
_
2
=
E
2
exp
(
j
ω
z
c
)
{\displaystyle {\begin{cases}{\underline {e}}_{1}=E_{1}\exp \left(-j\omega {\frac {z}{c}}\right)\\{\underline {e}}_{2}=E_{2}\exp \left(j\omega {\frac {z}{c}}\right)\\\end{cases}}}
2.
E
_
0
=
E
0
cos
(
ω
t
−
k
z
)
e
j
α
=
1
2
E
0
(
e
j
(
ω
t
−
k
z
)
+
e
−
j
(
ω
t
−
k
z
)
)
e
j
α
=
1
2
E
0
e
j
α
e
j
ω
t
e
−
j
k
z
+
1
2
E
0
e
j
α
e
−
j
ω
t
e
j
k
z
{\displaystyle {\begin{aligned}{\underline {E}}_{0}&=E_{0}\cos(\omega t-kz)e^{j\alpha }\\&={\frac {1}{2}}E_{0}\left(e^{j(\omega t-kz)}+e^{-j(\omega t-kz)}\right)e^{j\alpha }\\&={\frac {1}{2}}E_{0}e^{j\alpha }e^{j\omega t}e^{-jkz}+{\frac {1}{2}}E_{0}e^{j\alpha }e^{-j\omega t}e^{jkz}\\\end{aligned}}}
On pose alors :
e
_
1
=
1
2
E
0
e
j
(
α
−
k
z
)
{\displaystyle {\underline {e}}_{1}={\frac {1}{2}}E_{0}e^{j(\alpha -kz)}}
e
_
2
=
1
2
E
0
e
j
(
α
+
k
z
)
{\displaystyle {\underline {e}}_{2}={\frac {1}{2}}E_{0}e^{j(\alpha +kz)}}
Ceci est possible car, pour toute valeur de α, on est capables de trouver E 1 et E 2 tels qu’il n'y ait pas d'incompatibilité entre ce qu'on vient de poser et les expressions obtenues question 1.
On en déduit que toute onde polarisée rectilignement peut se décomposer comme somme d'une onde polarisée circulairement à gauche et d'une onde polarisée circulairement à droite .
3.
arg
(
e
_
1
⋅
e
_
2
)
=
arg
(
E
0
2
4
e
2
i
α
)
=
2
α
{\displaystyle \arg({\underline {e}}_{1}\cdot {\underline {e}}_{2})=\arg \left({\frac {E_{0}^{2}}{4}}e^{2i\alpha }\right)=2\alpha }
(
u
→
x
,
E
→
0
)
=
arg
(
E
_
0
)
=
α
{\displaystyle ({\vec {u}}_{x},{\vec {E}}_{0})=\arg({\underline {E}}_{0})=\alpha }
Finalement,
(
u
→
x
,
E
→
0
)
=
1
2
arg
(
e
_
1
⋅
e
_
2
)
{\displaystyle ({\vec {u}}_{x},{\vec {E}}_{0})={\frac {1}{2}}\arg({\underline {e}}_{1}\cdot {\underline {e}}_{2})}