Descriptif
Le cours d’ingénierie électromagnétique de première année a trois ambitions :
- D’une part, établir formellement que la lumière est une onde électromagnétique. Par conséquence, nous verrons qu’un large pan de la physique de la lumière se nourrit des outils conceptuels de la physique ondulatoire au sens large, utilisant son formalisme mathématique (équation d’onde, de Helmholtz) pour modéliser différents phénomènes (interférences, diffraction, diffusion…) – partant de là, nous démontrerons la validité du principe de Huygens-Fresnel.
- D’autre part, intégrer et souligner dans ce formalisme les interactions entre la lumière et la matière. Ces éléments feront émerger une compréhension à différentes échelles de l’électromagnétisme dans la matière : microscopique à travers par exemple la notion de dipôle et de sources et de rayonnement dipolaire ; et macroscopique à travers la notion d’indice optique, de permittivité. A l’intersection entre les deux, nous étudierons le processus de diffusion, qui se trouve à la base de la plupart des phénomènes optiques. Nous en tirerons une image physique simple des interactions lumière-matière : lorsqu’une onde éclaire un morceau de matière, des sources de rayonnement sont induites dans la matière. Le champ total observé est alors le résultat des interférences entre le champ incident et ce champ rerayonné.
- Enfin, de donner aux élèves-ingénieurs les bases d’une démarche d’ingénierie électromagnétique, exploitant les propriétés de la matière rayonnante en la structurant, afin de contrôler les propriétés de la lumière émise, absorbée, guidée ou confinée dans des structures ; ceci avec étude de cas et utilisation de logiciels de simulations électromagnétiques qui permettront de se familiariser avec les concepts de nanostructures, de cavités et d’antennes pour la lumière.
Objectifs pédagogiques
A la fin du cours d’ingénierie électromagnétique de première année, les étudiants seront capables de…
- Écrire les équations d’onde du champ électromagnétique dans le vide et les milieux homogènes et vérifier que les ondes planes en sont les solutions naturelles.
- Calculer une distribution de champ EM après propagation dans le vide en utilisant le développement en ondes planes ; et d’expliquer avec leurs propres mots le lien entre propagation et diffraction.
- Prédire le comportement électromagnétique d’un matériau à partir de sa constante diélectrique et relier cette dernière à des modèles microscopiques élémentaires des milieux matériels.
- Calculer le champ rayonné par des distributions simples de sources rayonnantes.
- Calculer les modes d’une structure électromagnétique simple analytiquement à l’aide de l’équation de Helmholtz ou numériquement à l’aide de logiciels.
- D’appliquer les approximations de champ lointain et dipolaire à leurs calculs, d’en expliquer les implications physiques et de justifier leur validité.
- Proposer des interprétations qualitatives ou quantitatives des observations expérimentales de phénomènes électromagnétiques courants ou d’expressions littérales, en utilisant notamment les notions d’interférences et de rayonnement dipolaire.
Ce cours se donne également d’autres objectifs pédagogiques, en lien avec les méthodes de travail et la pédagogie proposée. A la fin de cette séquence de cours, les étudiants seront capables de :
- Exploiter différentes ressources (livres de références, vidéos, polys, discussions avec des pairs…) afin d’enrichir et d’élaborer une vision personnelle des concepts lors de l’apprentissage.
- Rechercher, sélectionner, s’approprier, mobiliser de nouvelles ressources pédagogiques , une bibliographie identifiées personnellement.
- Organiser leur temps de travail en autonomie.
Format des notes
Numérique sur 20Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée
Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée écrêtée à une note seuil de 12)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 6
Le coefficient de l'UE est : 25
Programme détaillé
Une évaluation continue sera mise en place sous différentes formes :
- Des exercices de cours à la fin des principales séquences avec une participation pointée.
- Des mini projets en petits groupes sur un problème simple d'électromagnétisme, proposés aux étudiants dès le début du cours et qui necessitent la mise en commun de plusieurs notions du cours. L'objectif est de faire réaliser aux étudiants, sur un exemple concret, le lien entre les différentes parties du cours et comment elles s'articulent entre elles.
Enfin, un examen final cloturera le cours.