L3 Physique

préparation aux épreuves orales des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie

préparation aux épreuves orales des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie

préparation aux épreuves écrites des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie et initiation pour la préparation aux épreuves orales

Introduction à la physique nucléaire : propriété des noyaux (densité, énergie de masse, énergie de liaison, énergie d’appariement) ; modèles nucléaires (goutte liquide, gaz de Fermi) ; la carte des noyaux et vallée de stabilité. Les décroissances radioactives : étude des différents mécanismes de désintégration des noyaux (radioactivité alpha et beta) et lois associées ; désexcitation gamma; schémas de décroissance ; les familles radioactives naturelles (uranium et thorium) et les filiations radioactives associées ; mise à l’équilibre d’une chaîne radioactive (équilibre séculaire et activité du minerai d’uranium). Les réactions nucléaires appliquées aux réacteurs de fission : technologie des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), mécanisme de fission, réactions induites par neutron et sections efficaces associées, noyaux fissiles et non fissiles, principe de la réaction en chaîne et criticité. Introduction à l’effet de la radioactivité sur le corps humain : radioactivité naturelle et artificielle, grandeurs et unités pour caractériser l’effet des rayonnements ionisant, ordres de grandeur.

Matériaux pour l’énergie nucléaire : définition ; classes de matériaux en fonction des applications (combustible, réacteur, entreposage ou stockage) ; spécificité des matériaux nucléaires : environnements radiatifs ; classification de sources d’irradiation en termes d’endommagement des solides (particules chargées : ions, électrons, positons, neutrons, photons). Simulation expérimentale des effets de l’irradiation par faisceaux d’ions accélérés. Physique de l’irradiation à l’échelle atomique : mécanismes d’interactions ; processus balistiques et électroniques ; mécanismes de création de défauts ; calcul de nombre de dpa (déplacements par atome); modélisation de l’endommagement par excitation électronique ; code de simulation numérique SRIM. Comportement sous irradiation de quelques matériaux pour le nucléaire : combustibles et matrices de transmutation (matériaux céramiques) ; aciers de cuve et gaine de zircalloy ; matrices d’entreposage et de stockage. TP : Utilisation du code de simulation SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) ; application à l’endommagement d’un combustible nucléaires (fragments de fission de l’uranium, désintégration alpha des actinides).

Contexte
Une étude très documentée de l’American Physical Society (APS-2008) évalue à 12.6% le rendement de conversion entre le potentiel énergétique de l’essence et la puissance motrice utilisée au niveau des roues motrices des véhicules automobiles (tank to wheel efficiency), ce chiffre descend à 11% si les dépenses énergétiques liées à l’extraction au raffinage et au transport de l’essence sont prises en compte (well to wheel efficiency), nous somme donc loin des 30% affichés par les constructeurs…
Les questions de l’efficacité et du rendement des systèmes de conversion et de stockage de l’énergie, questions de physique appliquée, sont ainsi souvent obscurcies par les enjeux économiques (commerciaux) et sociétaux (politiques). Les choix, à venir, de transition énergétique implique une clarification physique et, dans cette perspective, appellent à une réactualisation de nos cursus de physique appliquée.
Au-delà de l’expertise physique amont pour les choix politiques à venir, le renouveau de l’enseignement de l’énergétique physique offrira aussi des formations en phase avec la nécessité de l’innovation dans ces domaines de hautes technologies.
L’enseignement décrit ici propose un ensemble de méthodes, outils et résultats permettant aux physiciens de comprendre et comparer les systèmes classiques et innovants de conversion et de stockage de l’énergie, conversion et stockage orientés vers le vecteur électrique.
Les gradients de variables intensives constituent des écarts à l’équilibre thermodynamique permettant d’extraire du travail de notre environnement ou de stocker de l’énergie libre : différences de potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique.
Les procédés de stockage d’énergie doivent œuvrer au maintien de ces gradients pour préserver la disponibilité de ces sources d’énergies libres. Les procédés de conversion d’énergie, utilisant ces sources d’énergies libres, sont toujours accompagnés d’une production d’entropie. L’extraction d’énergie libre des gradients de potentiel mécanique, de potentiel électrique et de pression, mettant en jeu un petit nombre de degrés de liberté cette production d’entropie est faible et l’efficacité des machines hydrauliques, pneumatiques et électriques est voisine de l’unité. Par contre, l’utilisation des gradients de températures et de potentiels chimiques est fortement limitée par le fait que l’énergie cinétique d’agitation thermique (température), et l’énergie potentielle d’engagement au sein de liaisons chimiques (potentiel chimique), sont distribuées sur un très grand nombre de degrés de liberté, ainsi la production d’entropie est élevée et l’efficacité plus faible.
Programme
Ce cours est articulé autour de deux axes principaux :

L’étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles, orientée vers la problématique de l’efficacité de stockage et de conversion énergétique vers la forme électrique. La présentation les deux principaux types de convertisseurs : les machines thermiques de Carnot et les machines chimiques de Van’t Hoff. La description et l’analyse physique des principes et limitations des générateurs photovoltaïques et électrochimiques (piles à combustible).

Conversion et Dissipation, processus irréversibles

Energie et entropie, conservation et conversion Flux couplés et Conversion d’Energie Physique des machines Thermiques et Chimiques Machines de Carnot, machines de Van’t Hoff et machines de Landsberg Rendement de Van’t Hoff Machines endoréversibles Cycle exoréversible à régénération Efficacité de Novikov-Curzon-Ahlborn

Physique des stockages capacitif et inductif

Stockages inductif et capacitif Comparaisons des performances (J/m3, J/kg…) des procédés de stockage Unification et comparaison des procédés de stockage à travers le théorème du viriel

Conversion et Stockage Electrochimique

Equilibre de Nernst, interface métal-Solution Machines électrochimiques de Butler-Volmer Surtensions et polarisations, irréversibilité Surtension d’activation, irréversibilité Piles à hydrogène, conversion et stockage

Conversion et efficacités Photovoltaïque

Lois de Kirchhoff et luminance du Corps Noir Conservation de l’Etendue optique Entropie et Concentration Conversion Photovoltaïque, cellule à 2 niveaux Efficacité de Landsberg Relation de Shockley, limite de Shockley-Queisser

J-M RAX, Physique de la Conversion d’Energie, Editions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 340 pages, 210 figures, 2015.
G. BOYLE, B. EVERETT, J. RAMAGE, Energy systems and sustainability, power for a sustainable future, Oxford University Press, Oxford, 2004.
P. WURFEL, Physics of solar cells from principles to new concepts, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.
R.DECHER, Energy conversion systems, flow physics and engineering, Oxford University Press, New York Oxford, 1994.
R.A. HUGGINS, Energy storage, Springer, New York, 2010.

Intérêt pour les propriétés physiques et l'organisation des matériaux à l’échelle atomique

Assimilation des cours de mécanique et de mécanique quantique (notion d’énergie potentielle, oscillateur harmonique quantique).

Physique des ondes et phénomènes d’interférences/diffraction.

**Dans cet enseignement, on se propose de décrire d’un point de vue physique les interactions entre les atomes, à l’origine de la cohésion de la matière solide. Ces interactions conduisent à une structuration de la matière à l’échelle atomique, avec un degré d’ordre dépendant de la température et du nombre de configurations accessibles dans l’état fondamental.

**Les cristaux périodiques constituent l’une des deux formes les plus ordonnées de la matière. Ils présentent des propriétés physiques au cœur d’une multitude d’applications en optique, en électronique ou encore en matériaux de construction. Nous verrons que la description de l’ordre dans les cristaux périodiques repose sur une infinité d’opérations de symétrie, dont les symétries de translation décrites par le réseau cristallin. Une introduction aux concepts de la cristallographie permettra de mettre en évidence les liens entre symétries et propriétés physiques.

**Au niveau microscopique, la matière solide n’est pas figée. Les atomes vibrent autour de leurs positions d’équilibre, et du fait de leurs interactions conduisent à la propagation d’ondes élastiques. Sur la base du modèle de l’oscillateur harmonique quantique, nous montrerons que l’énergie de vibration est quantifiée, et nous introduirons la notion de phonon, le quantum d’énergie de vibration.

**La description des structures atomiques et de leurs dynamiques repose sur des techniques expérimentales à même de résoudre des distances de l’ordre de l’angström (1 Å = 1E-10 m) et des énergies de vibration de l’ordre du meV. Nous introduirons la diffraction des rayons X, qui est la technique expérimentale la plus utilisée pour étudier les structures atomiques, puis nous donnerons un bref aperçu des techniques spectroscopiques que permettent de résoudre les niveaux vibrationnels dans la matière (spectroscopies Raman et infrarouge, diffusion inélastique des neutrons).

Cristallographie géométrique et radio-cristallographie, J-J Rousseau & A. Guibaud, Dunod 2007.
– Problèmes de cristallographie, J Lazjerowicz-Brunneteau et P. Ducros, Dunod 1967. – Diffraction des rayonnements : introduction aux concepts et méthodes, J. Protas, Dunod 1999

Cette option est un module d’ouverture vers le domaine des Sciences de la Terre.
Une meilleure caractérisation et compréhension de l’évolution de la Terre repose sur différentes
techniques géophysiques : gravimétrie, sismique, magnétisme…

Deux sujets seront abordés en particulier :

1. Géodynamique :

   évolution du système terrestre : mouvements de la Terre et leurs conséquences
   enveloppes externes et internes de la Terre
   les phénomènes internes et externes et leurs manifestations en surface
   champ magnétique terrestre, tectonique de plaques, croûte terrestre, volcanisme,
   tremblements de terre
   formation des océans et de chaînes de montagnes
   impact d’altération et du climat sur le relief

2. La Terre dans le système solaire : planètes de notre système, en particulier les planètes telluriques et
   leur comparaison avec la Terre.

L’option d’Astrophysique du parcours de L3 Physique et Applications permet de découvrir les grands concepts liés aux Systèmes stellaires et planétaires. Nous étudierons les principes physiques gouvernant la formation et l’évolution de ces systèmes ainsi que les moyens dont nous disposons pour les caractériser. Les missions spatiales, notamment d’exploration du Système Solaire, constitueront des exemples concrets sur lesquels nous pourrons nous appuyer.

Programme :

Mécanique spatiale – orbites et trajectoires des astres et satellites artificiels Naissance et évolutions des systèmes solaires – Etoiles, petits corps et planètes Mesures isotopiques – datation et mise en évidence de processus astrophysiques Transfert radiatif, bilans énergétiques et mesures associées Instrumentation spatiale : l’exemple de la spectroscopie infrarouge

L’objet de cette UE est d’aller plus loin que le cours de mécanique quantique du premier semestre. Nous pourrons traiter la théorie des perturbations : voir comment les systèmes quantiques peuvent changer d’état, comment les spins interagissent entre eux et avec les autres moments cinétiques et enfin aborder la théorie des perturbations dépendante du temps qui permet de comprendre l’interaction lumière/matière.
Dans la deuxième partie du cours, nous reviendrons sur la notion de photon, comment elle est apparue historiquement, comment elle est liée à la théorie du corps noir et quelles en sont les applications à la vie quotidienne. Nous terminerons par une introduction à la physique des lasers: de l’aspect purement atomique aux aspects les plus concrets pour les applications industrielles et scientifiques.

Cette UE est un entraînement aux oraux destinée aux étudiants qui souhaitent se présenter aux concours d’admissions sur titre aux écoles d’ingénieurs.

Essentiellement une préparation aux épreuves orales des écoles d'ingénieurs ("colles"). Mais également des préparations aux entretiens, lettres de motivation, etc.

La médecine fait appel à de nombreuses méthodes diagnostiques et thérapeutiques basées sur les concepts et technologies du domaine de la Physique. Ce cours propose de donner une vision globale des problèmes fondamentaux de physique en lien avec l’imagerie médicale, les traitements du cancer et la radioprotection. Des notions de base d’interaction des rayonnements avec la matière biologique seront données afin d’aborder les concepts et méthodes utilisés en physique médicale.

Les postulats de la Relativité et leurs conséquences : temps, espace et relativité – Les postulats d’Einstein – Dilatation des temps et contraction des longueurs – La transformation de Lorentz : simultanéité et causalité.
L’espace-temps : diagrammes d’espace-temps et applications – Composition des vitesses, aberration de la lumière – Espace de Minkowski : invariants de Lorentz, quadrivecteurs – L’effet Doppler.
Dynamique relativiste : dynamique des particules libres – Référentiel du centre de masse – Application aux collisions élastiques ou non, aux désintégrations – Forces électromagnétiques et transformations des champs électrique et magnétiques.

Dans l’état solide, les matériaux présentent une grande diversité de propriétés physiques : électriques, magnétiques, thermiques, optiques, etc…
Nous essaierons de comprendre pourquoi en introduisant quelques modèles de base pour les propriétés les plus importantes, telle que la conduction électrique dans les métaux ou dans les semiconducteurs, le magnétisme ou encore les propriétés thermiques des solides. On expliquera les idées physiques et les modèles pour les transitions de phase magnétiques et de transition supraconductrice.
On discutera quelques-unes des nouvelles propriétés liées à la miniaturisation et la nanotechnologie.
Dans ce cours introductif on présentera des calculs simples de manière à rester aussi quantitatif que possible, tout en mettant l’accent sur les idées physiques. Des connaissances de physique statistique et de mécanique quantique seront requises.

Travail expérimental, numérique ou théorique, réalisé dans un laboratoire universitaire ou une entreprise, en France ou à l’étranger. Le stage doit porter sur un sujet comprenant de la Physique, pour une durée minimale de 7 semaines.
Ce stage optionnel vient compléter les enseignements plus théoriques dispensés dans les autres UE. Il intervient en fin d’année, à l’issue des enseignements académiques.

Les étudiants intéressés doivent se préoccuper de trouver rapidement une équipe dans un laboratoire ou dans une entreprise qui accepte de les accueillir pour les faire travailler sur un sujet de Physique donné. Les stages proposés pour l’année en cours ainsi que les équipes ayant pris des stagiaires les années précédentes sont disponibles au secrétariat.

Dans un première moitié de cours, on présente les enjeux environnementaux à la fois de façon systémique à travers la notion d'anthropocène (climat, énergie, pollutions,...) et la prise en compte de défis sociétaux mais aussi à travers l'exemple de la physique du bâtiment et à l’échelle urbaine : construction bioclimatique, considérations thermiques au niveau d’un immeuble ou d’une ville.

La seconde moitié est dédiée à la réalisation d'un projet étudiant – bibliographique, de modélisation, expérimental – autour de ces thématiques.

Les sciences du patrimoine visent à apporter des connaissances aux restaurateurs du patrimoine, aux conservateurs et aux historiens de l’art sur les objets patrimoniaux. Ces connaissances sont rendues possibles par l’analyse de la nature des matériaux, de leur âge, ainsi que de leur état de conservation.
L’imagerie scientifique occupe aujourd’hui une place centrale dans ces analyses car elle fait le pont entre l’appréciation visuelle de l’objet et des éléments liés à l’analyse scientifique.
Conçu sur le mode binaire, avec un apport théorique et des séances pratiques, cet enseignement propose d’aborder les problématiques de recherche du domaine de l’optique par un prisme innovant, en le confrontant à celles de l’art et à la rencontre avec la pratique d’une artiste.
Parallèlement aux heures d’enseignement à l’Université, plusieurs visites de laboratoires de recherche experts dans le domaine des sciences du patrimoine seront proposées aux étudiants. Ces sorties occasionneront la rencontre avec des physiciens dans leur environnement de recherche, ainsi que la découverte d’équipements et d’outils spécifiques à la production de cette imagerie scientifique.

Dans un première moitié de cours, on présente les enjeux environnementaux à la fois de façon systémique à travers la notion d'anthropocène (climat, énergie, pollutions,...) et la prise en compte de défis sociétaux mais aussi à travers l'exemple de la physique du bâtiment et à l’échelle urbaine : construction bioclimatique, considérations thermiques au niveau d’un immeuble ou d’une ville.

La seconde moitié est dédiée à la réalisation d'un projet étudiant – bibliographique, de modélisation, expérimental – autour de ces thématiques.

Ouverture sur la recherche en Physique à travers des conférences le mercredi midi

Ouverture sur la recherche en Physique à travers des conférences le mercredi midi

– Rappels de thermodynamique
– Instruments de mesure des grandeurs thermodynamiques (température, pression, calorimétre)
– Types et principes de quelques moteurs thermiques (principe de fonctionnement, rendements théoriques et réels)
– Réfrigérateurs (principe de fonctionnement, efficacité)
– Diagramme de phase, pression de vapeur saturante, chaleur latente de changement d’état
– Purification (distillation, osmose)
– Echanges de chaleur et isolation thermique
– Conversion d’énergie thermoélectrique

Cette UE comprend 3 travaux pratiques sur le moteur de Stirling, la pompe à chaleur et la mesure de pression de vapeur saturante de l’eau.

Thermodynamique fondements et applications, Pérez J.Ph., Romulus A.M., Ed. Masson (1993)
– Energétique : concepts et applications, Feidt M., ed. Dunod (2006)
– Thermodynamique, Diu B., Guthmann C., Lederer D. Roulet B., Ed. Hermann (2007)

Comportement mécanique des solides
– Relations contraintes et déformations, tenseurs d’élasticité et de complaisance.
– Énergie élastique.
– Exemple de la flexion de la poutre.
Comportement des liquides
– Relation contrainte/écoulement dans un liquide.
– Forme des interfaces (tension de surface, mouillage et effets capillaire)
Entre liquide et solide
– Des matériaux à la fois liquides et solides, introduction à la viscoélasticité.
– Elastocapillarité : quand la tension de surface peut vaincre l’élasticité.
Au niveau microscopique
– les interactions moléculaires
– leur impact sur le module élastique et la tension de surface
Cette UE comprend 2 travaux pratiques choisis parmi les thèmes suivants : tension de surface et mouillage, élasticité de matériaux solides, propagation des ondes acoustiques.

La matière à l’état solide, des supraconducteurs aux super alliages, A. Guinier et R. Jullien, CNRS – Sciences appliquées.
– Physique de l’état solide, C. Kittel, Dunod.
– Propriétés et comportements des matériaux : du microscopique au macroscopique, A. Cornet, F. Hlawka, Technosup, Ellipses.
– Gouttes, bulles, perles et ondes, P-G de Gennes, F.Brochard-Wyart, D.Quéré – Collection Echelles, Belin.

- chaîne d'acquisition et traitement du signal
- outils théorique et expérimentaux pour le régime quasi-statique 
- régime variable: transitoire et permanent 
- circuit résonant
- transmission du signal - phénomène de propagation et d'atténuation
- projet (2 séances)

Du capteur à l'exploitation du signal.

Régime continu, quasi-statique, transitoire, variable ; transmission du signal, propagation ; amplificateur opérationnel : outil d'adaptation, comparateur, amplificateur

Toutes les séances ont lieu en salle de TP.

préparation aux épreuves écrites des concours du CAPES, et du CAFEP de physique chimie.

Projet numérique en langage Python.

Langage Python : - Apprendre à mener à bien un projet et toutes ses ramifications (bilbio, modélisation du problème, programmation, finalisation…) - Acquérir de l'aisance avec le langage Python et se familiariser avec les méthodes numériques utiles en laboratoire - Apprendre à rédiger un rapport et à présenter son travail oralement

Attendus de l'UE Langue-Anglais4 : Niveau B2+/C1 dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais3 et le travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou à visée professionnelle) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences et on s'attachera à la préparation de l'étudiant aux différentes tâches liées à son activité scientifique telles que la rédaction d'un compte rendu d'expérience, le commentaire d'un graphique, la desciption d'un processus mais aussi à son insertion dans le monde professionnel : rédaction d'un CV ou d'une lettre de motivation en vue d'un stage... On proposera une initiation au débat ainsi qu'un entraînement à la certification CLES 2.

Cette UE s’adresse à tout étudiant souhaitant parfaire son niveau d’anglais ou désireux d’apprendre ou approfondir une autre langue.
Le travail se fera par groupes de niveau (3 niveaux minimum, y compris grands débutants) qui sera déterminé par un test préalable. On travaillera les 5 compétences (lire, écrire, écouter, parler et interagir) en prêtant une attention toute particulière à la compréhension de l’oral et l’expression orale en interaction.
L’objectif est d’être autonome dans des situations de la vie quotidienne et/ou professionnelle.

Algèbre linéaire, espaces vectoriels de dimension finie et infinie.

Systèmes d’équations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.

Introduction et aspects historiques
   La mécanique ondulatoire.
   Les outils mathématiques pour la physique quantique.
   Les postulats de la mécanique quantique.
   L’oscillateur harmonique et ses applications.
   Théorie générale du moment cinétique.
   Le moment cinétique de spin.
   L’atome d’hydrogène.

Quantique : rudiments , Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibar, Inter Editions CNRS, 1984.
– Physique Quantique : introduction , Christian et Hélène Ngo, Masson 1991.
– Introduction à la mécanique quantique , Jean Hladik et Michel Chrysos, Dunod, 2006.
– Mécanique Quantique , Christophe Texier, Dunod, 2011.

- Lois de la Mécanique, Principe fondamental de la dynamique, notamment en coordonnées polaires.
- Mathématiques : maitrise des vecteurs, et équations différentielles du premier et second ordre à coefficients constants. Fonctions de plusieurs variables et équations aux dérivées partielles. Opérateurs différentiels et théorème de Green-Ostrogradski.

Introduction

Définition et propriétés d’un fluide. Notions sur les mouvements thermiques: flux de particules, interactions et libre parcours moyen. Grandeurs physiques décrivant l’état d’un fluide, échelle hydrodynamique, particule fluide. Forces au sein d’un fluide: notions de pression et de viscosité. %%%Nombre de Reynolds, cas du fluide parfait.

Fluides en équilibre

Loi de l’hydrostatique, principe de Pascal. Théorème d’Archimède. Phénomène de convection.

Cinématique des fluides

Description d’un écoulement, trajectoire, ligne et tube de courant, notion de débit. Points de vue d’Euler et de Lagrange – Dérivée particulaire, advection. Conservation de la masse (équation de continuité) et du débit, cas incompressible. Etude locale du champ de vitesse: déformation et rotation, relation avec la divergence et le rotationnel de la vitesse. Cas incompressible: écoulement isovolume.

Dynamique des fluides parfaits

Conservation de la quantité de mouvement: équation d’Euler. Théorème de Bernoulli (sous forme locale et intégrale) et généralisations. Point de vue énergétique. Point d’arrêt et prise de pression.  Applications: écoulement de Torricelli, effet Venturi, tube de Pitot, tourbillon, effet Magnus… Notion de perte de charge singulière, théorème de transport de Reynolds - notion de volume de contrôle.

Dynamique des fluides réels

Mise en évidence expérimentale de la viscosité, écoulement de Couette. Les différents types de fluides visqueux.  Loi de Poiseuille et applications. Perte de charge régulière. L’équation de Navier-Stokes.

Cette UE comprend 2 séances de travaux pratiques sur 2 des 6 thèmes suivants : impulsion d’un jet / déversoirs, milieux poreux /ondes acoustiques, mesures de débit, sillage d’un cylindre, venturi/profil de vitesse, pertes de charges.

Electrostatique, magnétostatique. Equations de Maxwell. Equation d'onde (d'Alembert). Dispersion, vitesse de groupe. Onde plane, sphérique. Polarisation d'une onde vectorielle. Energie électromagnétique, vecteur de Poynting.

Chapitre 1 : Milieux diélectriques, aspects macroscopiques 2h

Chapitre 2 : Milieux diélectriques, aspects microscopiques 2h30
Les 3 mécanismes de polarisation ; champ local et champ de Maxwell ; polarisabilité : définition et modèles classiques dans les trois cas ; relation entre polarisabilité et susceptibilité en milieu dilué ; ) milieux denses et ferroélectricité

Chapitre 3 : Propagation d’une OEM dans un milieu lhi 3h30 + coefficients de Fresnel 2h30

Chapitre 4 : Milieux aimantés, aspects macroscopiques
Courants d’aimantation équivalents Champs magnétiques B et H, relations de passage, exemple du cylindre aimanté, champ démagnétisant. Relation M(H). Milieux LHI. Couple, énergie, force et applications aux milieux LHI. Milieux ferromagnétiques, domaines, courbe de première aimantation et cycle d’hystérésis ; ferros durs et doux, quelques applications. 4h30

Chapitre 5 : Milieux aimantés, aspects microscopiques 3h

TD 0 : Révisions électrostatique, non traité en séance (corrigé en ligne).

TD1 : Milieux diélectriques, aspects macroscopiques 3h

TD2 : Milieux diélectriques, aspects microscopiques 3h

TD3 : Milieux diélectriques : régime variable et propagation d’une onde 4h. + coefficients de Fresnel 2h

TD4 : Milieux magnétiques : aspects macroscopiques 4h 

TD5 : Milieux magnétiques : applications macroscopiques 2h

TD6 : Milieux magnétiques : aspects microscopiques 2h

Milieux diélectriques et magnétiques.

Optique géométrique, dispersion, interférences à 2 ondes et interféromètres, diffraction par une fente, plusieurs fentes (réseau), un disque.

Dispositifs interférométriques
– Rappels sur les phénomènes d’interférence. Réalisation pratique d’un interféromètre. Interféromètres à division de front d’onde et d’amplitude. Etude de cas : interféromètre des trous de Young,  interféromètre de Michelson, interféromètre à ondes multiples.

Notion de cohérence spatiale et temporelle.
– Tomographie par cohérence optique (OCT).
– Application à la spectroscopie par transformée de Fourier.

Diffraction - Introduction à l'optique de Fourier
– Principe de Huygens-Fresnel, diffraction de Fresnel et Fraunhofer, transformée de Fourier, filtrage spatial.
– Réseau de diffraction, application aux spectromètres.
– Senseurs de front d’onde.
– Microscopie à contraste de phase.

Résolution d’un instrument d’optique. Systèmes d'imagerie.
– Limite de diffraction d’un système optique, résolution spatiale, réponse impulsionnelle et fréquentielle d’un système optique.
– Importance pratique en microscopique.

Algèbre linéaire, espaces vectoriels de dimension finie et infinie Systèmes d’équations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles
- Opérateurs vectoriels grad, div, rot, laplaciens scalaire et vectoriel. Théorèmes intégraux : Ostrogradski et Stokes. Intégrales de contour, de surface, de volume. Exemples : théorèmes de Gauss, théorème d’Ampère avec un exemple type pour chaque (plan infini chargé / solénoïde infini).
- Equations de Maxwell. Propagation d'une onde et équation de d'Alembert. OPPHM. Polarisation linéaire, circulaire, elliptique. Dispersion, vitesse de phase, vitesse de groupe.
- Energie électromagnétique, vecteur de Poynting. Energie d'une distribution de charges.
Le dipôle électrostatique : moment dipolaire, lignes de champ, énergie potentielle dans un champ extérieur. Complément : le dipôle magnétique.

Module expérimental centré sur les ondes électromagnétiques et faisant appel aux connaissances acquises dans plusieurs cours fondamentaux (mécanique quantique, électromagnétisme, physique statistique, mathématiques, optique…..).

Les ondes électromagnétiques seront étudiées par différents dispositifs dans une très large gamme de fréquences (X, visible, hyperfréquences, RMN).
Les expériences illustreront la production, la propagation, les caractéristiques des ondes électromagnétiques ainsi que l’étude des phénomènes d’interaction du rayonnement avec la matière.
Au niveau des expériences, on s’attachera à souligner l’unité des phénomènes physiques sous-jacents d’un TP à l’autre, et on s’efforcera en particulier de mettre en évidence le passage de l’interprétation classique à l’interprétation quantique des phénomènes observés.
Outre les aspects purement fondamentaux, cet enseignement pratique permettra aux étudiants de se familiariser avec des techniques expérimentales largement répandues dans les laboratoires de recherche ou d’analyse industriels ainsi que dans le secteur médical (imagerie).
Les TP seront proposés en séances de demi-journées ou de journées entières éventuellement précédées d’un exposé introductif.
Les étudiants choisissent 7 ou 8 TP selon leurs choix d'options et préférences, parmi : 2 TP sur la production et l’analyse des rayons X, 2 TP de Résonance Magnétique Nucléaire, 2 TP sur les hyperfréquences, 4 TP d’Optique sur les interférences et la spectroscopie, le filtrage spatial et la strioscopie.

Mathématiques S5

Programme
Fonctions d’une variable complexe
Dérivation, intégration, fonctions multivaluées, transformations conformes, potentiel complexe en hydrodynamique.
Distributions
Espaces D et D’, distributions régulières et singulières, opérations sur les convolutions (dérivation,convolution…), transformée de Fourier.

"Mathématiques pour la physique et les physiciens !", Walter Appel, H&K Éditions

Généralités

Du microscopique au macroscopique, degrés de liberté, systèmes classiques et quantiques, ordres de grandeurs, théorème ergodique, probabilités et méthodes statistiques.

Systèmes à l’équilibre

Entropie statistique, ensembles d’équilibre (micro-canonique, canonique et grand-canonique), fonctions de partition et grand potentiel, statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein, fluctuations, applications à la physique des fluides et des solides, à l’électronique, aux transitions de phases, au rayonnement.

• Physique statistique : introduction , C. Ngô et H. Ngô, Dunod, 2008 (3eme éd.).
• Physique statistique , B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Hermann, 1996.
• Eléments de physique statistique , S. Vauclair, Dunod, 1993.
• Thermodynamique et physique statistique , B. Jancovici, Nathan Université, 1996.
• Introduction to modern statistical physics , D. Chandler, Oxford University Press, 1987.

UE Electromagnétisme III

- Potentiels, jauge et propagation : le potentiel vecteur en statique : jauge de Coulomb, loi de Biot et Savart. Propagation des potentiels en dynamique, jauge de Lorenz. Potentiels de Liénard-Wiechert.

- Le dipôle de Hertz : champ rayonné, énergie, diagramme de rayonnement. Diffusion Rayleigh.

- Antennes : l'antenne demi-onde ; gain d'une antenne, résistance de rayonnement. Quelques exemples.

- Guide d'onde conducteur : principe, exemple du guide rectangulaire. Fréquence de coupure, modes TE/TM/TEM, dispersion. Cas du guide cylindrique. Applications.

- Guidage par fibre optique.

Rayonnement et guidage

- Principe fondamental de la dynamique, notamment en coordonnées polaires
- Travail des forces, théorème de l'énergie cinétique
- Théorème du moment cinétique pour une masse ponctuelle
- Théorème du moment cinétique pour un solide en mouvement plan
- Mathématiques : maitrise des projections de vecteur, et équations différentielles du premier
et second ordre à coefficients constants.

•       Rappels sur les théorèmes généraux de la mécanique pour les systèmes de points matériels (lois de conservation, théorèmes de Koenig)
•       Dynamique du solide indéformable pour des mouvements plans (centre instantané de rotation, roulement sans glissement, moment d’inertie, théorème de Huygens)
•       Mécanique Lagrangienne (introduction au principe variationnel, principe de Hamilton, équations de liaison et contraintes)
•       Oscillations couplées (fréquences propres et modes normaux)
•       Dynamique du solide indéformable pour des mouvements 3D (tenseur d’inertie, approximation gyroscopique, angles d’Euler, équations d’Euler, mouvement de Poinsot)
•       Introduction à la mécanique hamiltonienne