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Théorème de Poynting

Posté par
crabenfolie
04-10-16 à 16:12

Bonjour,

je dois démontrer le théorème de Poynting à partir des équations de Maxwell...Seulement je tombe sur une erreur de signe et n'arrive pas à en voir l'origine...Si vous pouviez m'aider....En vous remerciant par avance.
En partant de Maxwell-Ampere:
\vec{\nabla}*\vec{B}=µ \vec{J}+µ\epsilon \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}
je multiplie par le champ E de part et d'autre de l'égalité et j'obtiens:
\vec{B}(\vec{\nabla}*\vec{E})-\vec{E}(\vec{\nabla}*\vec{B})=µ (\vec{E}\vec{J}+\epsilon\vec{E} \frac{\partial \vec{E}}{\partial t})
Puis j'utilise l'équation de Maxwell-Faraday et j'essaye de faire apparaître  le vecteur de Poynting:
\frac{1}{µ}(-\vec{B}\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}-\vec{E}(\vec{\nabla}*\vec{B}) )=\vec{E} \vec{J} + \epsilon\vec{E} \frac{\partial \vec{E}}{\partial t})
A gauche de mon égalité j'essaye de faire apparaître les termes de variation d'énergie par rapport au temps et à droite le vecteur de Poynting + le terme de dissipation:
-\frac{\partial {W_{em}}}{\partial t}=\vec{E} \vec{J}+\frac{1}{µ}\vec{\nabla}(\vec{B}*\vec{E})
où:
-\frac{\partial {W_{em}}}{\partial t}=-\epsilon \vec{E} \frac{\partial {\vec{E}}}{\partial t}-\frac{1}{µ}\vec{B}\frac{\partial {\vec{B}}}{\partial t}

Comme vous pouvez le constater il y a un problème de signe avec le vecteur de Poynting et je ne sais pas où est la coquille...En vous remerciant par avance de votre aide.

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 18:45

Bonjour

Citation :
je multiplie par le champ E de part et d'autre de l'égalité et j'obtiens:

Je ne comprends pas le lien entre cette phrase et la ligne qui suit. Personnellement, je pars de l'équation locale traduisant la conservation de l'énergie électromagnétique :

div\left(\overrightarrow{\Pi}\right)+\frac{\partial w_{em}}{\partial t}+\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}=0

J'utilise ensuite l'expression classique de la divergence d'un produit vectoriel.

div\left(\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}\right)=\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{E}\right)-\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{B}\right)
Il suffit ensuite d'utiliser les équations de Maxwell et d'identifier...

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 19:05

Bonjour Vanoise,

Citation :
je multiplie par le champ E de part et d'autre de l'égalité et j'obtiens:


Quand j'ai dit ça, j'ai voulu dire: \vec{E}(\vec{\nabla}*\vec{B})=\vec{E}(µ\vec{J}+µ\epsilon\frac{\partial \vec{E}}{\partial t})

J'ai également essayé de partir du vecteur de Poynting comme tu as dit et là j'y arrive... Seulement cette erreur de signe me perturbe car je n'arrive pas à voir d'où elle vient ...
En plus je suis censé partir des équations de Maxwell au départ...

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 19:50

En plus je suis censé partir des équations de Maxwell au départ...
Mais les équations de Maxwell interviennent à plusieurs reprises dans la démonstration. Si tu veux être plus sûr d'être "dans les clous" par rapport aux exigences de ton professeur, tu peux toujours redémontrer l'équation locale de conservation de l'énergie électromagnétique : là aussi, tu devras utiliser les équations de Maxwell...
Ce n'est sûrement pas un hasard si la majorité des livres utilisés en prépas utilisent la méthode que je t'ai donnée...
En tout cas, ton équation n° 2 est fausse...

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 19:55

Quand tu dis équation n°2, tu parles de celle qui vient juste après :

Citation :
je multiplie par le champ E de part et d'autre de l'égalité et j'obtiens:
?

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 21:13

Oui. Je ne comprends pas l'enchaînement des 2 premières lignes... En plus,  je ne suis pas sûr qu'il soit possible de s'en sortir sans utiliser la méthode que je t'ai présentée ou une méthode analogue.

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 21:48

Excuses-moi c'est vrai que je n'ai pas bien été clair...

Après avoir multiplié par le champ E , j'utilise la relation mathématique suivante :
\vec{A}(\vec{B}*\vec{C})=\vec{B}(\vec{C}*\vec{A})
Du coup dans le membre de gauche, j'arrive à obtenir l'opérateur divergence.
Enfin je développe la divergence de ce produit vectoriel avec la 11° formule située ici :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Identit%C3%A9s_vectorielles

Voilà comment je trouve cette ligne de calcul...

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 22:31

Justement : la relation mathématique que tu évoques sert à démontrer la relation que je t'ai donnée plus haut :

div\left(\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}\right)=\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{E}\right)-\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{B}\right)
 \\
Ton erreur de signe ne viendrait-elle pas tout simplement d'une permuttation entre les vecteurs E et B dans un produit vectoriel ?

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 04-10-16 à 23:19

Je ne pense pas car :

\vec{E}(\vec{\nabla}*\vec{B})=\vec{\nabla}(\vec{B}*\vec{E})=-div(\vec{E}*\vec{B})

et c'est là où le signe change sans que je comprenne ce qui ne va pas....

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 05-10-16 à 14:15

Je ne comprend pas tes notations : tu manipules l'opérateur nabla comme un vecteur alors qu'il s'agit d'un opérateur vectoriel...

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 05-10-16 à 23:31

D'accord, je croyais que :

\vec{\nabla}=\begin{pmatrix} \frac{\partial }{\partial x} \\ \frac{\partial }{\partial y} \\ \frac{\partial }{\partial z} \end{pmatrix}

pour un système de coordonnées cartésiennes et que du coup on pouvait faire un produit scalaire pour une divergence, un produit vectoriel pour un rotationnel....Et que finalement nabla obéissait au mêmes règles que les vecteurs....je pensais justement que c'était l'avantage de retenir ce vecteur pour retrouver facilement les formules de rotationnel et de divergence....

Du coup ça ne serait pas le cas? Saurais-tu du coup pourquoi  on ne peut pas assimiler cet opérateur au vecteur écrit ci-dessus?

Merci encore

Posté par
vanoise
re : Théorème de Poynting 06-10-16 à 11:22

Bonjour
Je te fais la démonstration en essayant de rester au plus près de ce que tu as fait. Je pars de l'expression de la divergence déjà évoquée :

div\left(\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}\right)=\overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{E}\right)-\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{B}\right)
Je tiens compte des équations de Maxwell :

div\left(\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}\right)=\overrightarrow{B}\cdot\left(-\frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\right)-\overrightarrow{E}\cdot\left(\mu_{0}\cdot\overrightarrow{j}+\varepsilon_{0}\mu_{0}\frac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\right)

En divisant tous les termes par \mu_{0} :

div\left(\frac{\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}}{\mu_{0}}\right)=-\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}-\left(\frac{\overrightarrow{B}}{\mu_{0}}\cdot\frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}+\varepsilon_{0}\cdot\overrightarrow{E}\cdot\frac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\right)=-\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}-\frac{\partial w_{em}}{\partial t}
Tu ne peux rien tirer de plus, pour l'instant des équations de Maxwell. Il faut nécessairement faire intervenir la définition du vecteur de Poynting : vecteur défini de sorte que son flux à travers une surface quelconque représente la puissance rayonnée à travers cette surface. En écrivant ensuite que la variation d'énergie électromagnétique à l'intérieur d'une surface fermée est due à l'énergie dissipée à l'intérieur de la surface par interaction avec la matière qui y est contenue et à l'énergie rayonnée à travers cette surface, le théorème d'Ostrogradski conduit à :

div\left(\overrightarrow{\Pi}\right)=-\overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{E}-\frac{\partial w_{em}}{\partial t}
Par identification :

div\left(\overrightarrow{\Pi}\right)=div\left(\frac{\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}}{\mu_{0}}\right)\quad donc\quad\overrightarrow{\Pi}=\frac{\overrightarrow{E}\wedge\overrightarrow{B}}{\mu_{0}}+\overrightarrow{rot}\left(\overrightarrow{C}\right)
\overrightarrow{C}  est un vecteur quelconque(la divergence d'un rotationnel est identiquement nulle). Il n'est pas possible de pousser la démonstration plus loin. C'est uniquement l'expérience qui permet de poser ce rotationnel égal au vecteur nul.

Je suis d'accord avec ta définition de nabla mais il ne s'agit pas d'un vecteur : (\frac{\partial}{\partial x} ) n'est pas la composante d'un vecteur. Il s'agit d'un opérateur vectoriel appliqué à un champ scalaire. Je suis d'accord aussi pour dire que cet opérateur rend bien des services pour retrouver simplement certaines formules mais il faut être très rigoureux dans les notations. Quand on exprime par exemple le rotationnel d'un rotationnel, il faut être très clair dans les notations pour bien faire la différence entre le gradient de la divergence et le laplacien vectoriel...

Posté par
crabenfolie
re : Théorème de Poynting 06-10-16 à 20:35

D'accord maintenant c'est plus clair surtout pour la façon dont il faut utiliser l'opérateur nabla (je ferais désormais bien la distinction entre nabla et un vecteur....)

Encore une fois un grand merci pour ton aide vanoise !



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