Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’article traite le problème des ondes radioélectriques planes dans des milieux homogènes à pertes. La puissance dissipée dans la matière sous forme solide ou liquide est relatée dans le concept de constante de propagation complexe, elle-même reliée aux notions de conductivité électrique et de permittivité électrique complexe. Des exemples permettent de saisir l’impact de la fréquence des ondes dont la gamme s’étend ici de 50 Hz à plusieurs dizaines de GHz. Pour conclure l’article, une brève analyse microscopique des phénomènes d’interaction onde matière est proposée.
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This article deals with the propagation of radiofrequency waves in lossy homogeneous media. According to the plane wave assumption, power losses in matter in the solid or liquid state will be related through the complex propagation constant depending on electric conductivity and complex permittivity. Some examples are selected to show the effect of the frequency for waves in the range 50 Hz to a few tens of GHz. To conclude, the phenomena occurring at the atomic scale are briefly reviewed.
Auteur(s)
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Bernard DÉMOULIN : Professeur émérite, Faculté des Sciences et Technologies de Lille, Groupe TELICE de l’IEMN - CNRS, UMR 8520, Villeneuve-d’Ascq, France
INTRODUCTION
Aussi faibles soient-elles, les pertes énergétiques engendrées par la propagation des ondes radioélectriques procurent à la matière sous phase gazeuse, liquide ou solide, les propriétés d’un milieu absorbant. Dans ce contexte, et en présence d’oscillations périodiques entretenues, l’onde atténuée par les dissipations d’énergie est caractérisée par la constante de propagation assimilée à un nombre complexe.
Le sujet est abordé en deux parties bien distinctes. Dans un premier paragraphe dédié à l’atténuation des ondes planes, la progression de l’analyse amène à dissocier trois phénomènes physiques relatés dans les notions de courants de conduction, de courants de déplacement et d’absorption dipolaire.
Il est montré que pour les ondes radioélectriques les courants de conduction interviennent de manière significative en présence de milieux de grande conductivité électrique, au moins supérieure à 100S.m−1. On y observe l’induction de courants respectant les principes énoncés en électrocinétique. Pour les milieux de conductivité modérée, donc située au-dessous de 100S.m−1, aux courants de conduction se superposent des courants de déplacement dont l’origine est directement reliée aux propriétés diélectriques du milieu. Dès lors, la recherche de formules approchées de la constante de propagation facilite l’étude de l’atténuation de l’onde plane dans la matière. L’appui d’exemples inspirés de données physiques empruntées aux électrolytes met en valeur l’impact majeur joué par la fréquence des ondes. Dans cet article, elles sont localisées de la fréquence industrielle 50Hz aux micro-ondes avoisinant la dizaine de GHz. Aux dissipations thermiques liées aux courants de conduction et de déplacement, s’ajoutent aussi d’autres pertes dues aux oscillations forcées du moment dipolaire de certaines molécules. L’absorption dipolaire, ainsi dénommée, est restituée dans les concepts de permittivité électrique complexe et de conductivité électrique équivalente.
Le second paragraphe concerne surtout l’aspect microscopique des phénomènes. Des raisonnements qualitatifs s’efforcent de rappeler brièvement les processus de conduction électronique dans les métaux, les électrolytes et certaines matières composites. On y retrouve aussi l’absorption de la molécule d’eau éclairée par quelques détails illustrant la diversité et le recoupement des mécanismes physiques mis en jeu.
La lecture de l’article n’exige pas de connaissances approfondies en électromagnétisme, néanmoins la consultation des articles [E 1 020] et [D 1 325] est recommandée.
Les amplitudes de champs, courants et tensions figurant dans les formules produites dans l’article correspondent aux valeurs efficaces.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés, ainsi qu'un tableau des symboles.
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MOTS-CLÉS
électromagnétisme Conductivité électrique permittivité complexe ondes radioélectriques constante de propagation courants de conduction
KEYWORDS
electromagnetism | electrical conductivity | complex permittivity | radiofrequency waves | propagation constant | conductive currents
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Analyse physique de l’absorption des ondes
En anglais
1. Atténuation des ondes dans les milieux absorbants
Ce paragraphe commence par le rappel des principales propriétés des ondes radioélectriques planes propagées dans le vide (ou dans l’air). De l'examen conjoint de l’équation d’onde et des équations de Maxwell découlent naturellement deux concepts étroitement imbriqués, l’un concerne la constante de propagation, le second les courants de déplacement et de conduction. L’analyse de la propagation ainsi élaborée permet de dissocier deux familles de milieux identifiés par les propriétés de conductivité électrique σ. D’après les données figurant dans le tableau 1, nous convenons d'appeler un milieu modérément conducteur, une substance dont la conductivité électrique chute au-dessous de 100S.m−1.
Cette frontière est évidemment arbitraire, car la dynamique de variation de σ est considérable, passant de 107S.m−1, et plus pour les métaux, à 10−6S.m−1 pour les roches ignées faiblement hydratées .
Pour compléter l’analyse physique, nous procéderons au calcul de la constante de propagation complexe, puis aux déterminations de l’atténuation linéique et de la vitesse de phase des ondes animées par une source de pulsation ω. Pour conclure ce premier paragraphe, la question de l’absorption dipolaire des molécules sera évoquée par l’entrée du concept de permittivité électrique complexe, auquel s’ajouteront les notions de conductivité équivalente et de conductivité apparente.
1.1 Ondes planes dans le vide
Considérons le repère orthonormé Oxyz de la figure 1, l’onde radioélectrique plane y est représentée par le vecteur champ électrique
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Atténuation des ondes dans les milieux absorbants
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - Electrical conductivity, from Wikipedia, free encyclopedia.
-
(2) - * - Electrical conductivity of geologic materials, geophysics foundations, physicals properties, ubc.ca.
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(3) - WHITE (D.R.J.) - Handbook on electromagnetic shielding materials and performances. - Edited by Don White Consultant Inc., German town, Maryland (1975).
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(4) - * - Encyclopédie scientifique de l’univers, « la physique », Bureau des longitudes, éditeur Gauthier Villars, ISBN 2-04-015639-9 (1981).
-
(5) - * - La molécule d’eau, dans Wikipedia, encyclopédie libre accès.
-
(6) - * - Water electrical permittivity, from Wikipedia, free encyclopedia.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1 Manifestations scientifiques récurrentes sur la radioélectricité
Union Radio Scientifique Internationale, prochaine assemblée les 28 mai – 1er juin 2018 à Gran-Canaria – Espagne (ursi.org).
Le site de l’URSI mentionne toutes les manifestations scientifiques internationales se rapportant au sujet traité dans cet article, on peut également citer le GDR Ondes (gdr-ondes.cnrs.fr).
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