Physique · Glossaire

Qu'est-ce que « Nombre d’onde complexe : propagation et atténuation » ?

Définition 8.3 Physique universitaire — 2e année · Chapitre 8 — Dispersion et paquets d’ondes

Lorsque la relation de dispersion donne, pour ω\omega réel, un k=kik\underline k = k' - \iu k'' complexe, l’onde s’écrit

s=Aekxei(ωtkx):\underline s = A\,\eu^{-k''x}\,\eu^{\iu(\omega t - k'x)} :

elle se propage à vφ=ω/kv_\varphi = \omega/k' et son amplitude décroît en ex/δ\eu^{-x/\delta} avec la longueur d’atténuation δ=1/k\delta = 1/k'' (elle doit décroître dans son sens de propagation : kk' et kk'' de même signe). Si k\underline k est imaginaire pur, k=iκ\underline k = -\iu\kappa, l’onde est évanescente : AeκxeiωtA\,\eu^{-\kappa x}\eu^{\iu\omega t}, une oscillation stationnaire dont l’amplitude s’éteint sur la distance 1/κ1/\kappa sans rien propager — le cas du milieu de Klein–Gordon en dessous de sa coupure, κ=ωc2ω2/c\kappa = \sqrt{\omega_c^2 - \omega^2}/c, et d’un métal aux fréquences optiques.

Exemples

Exemple 8.4 (Une corde amortie)

Une corde dans un fluide visqueux, μt2y+αty=Tx2y\mu\partial_t^2y + \alpha\partial_ty = T\partial_x^2y : k2=(ω2iαω/μ)/c2\underline k^2 = (\omega^2 - \iu\alpha\omega/\mu)/c^2. Pour un amortissement faible (αμω\alpha \ll \mu \omega), kωc(1iα2μω)\underline k \approx \dfrac\omega c\Bigl(1 - \iu\dfrac{\alpha}{2\mu\omega}\Bigr) : l’onde garde sa célérité et perd de l’amplitude sur δ=2μc/α=2Z/α\delta = 2\mu c/\alpha = 2Z/\alpha, indépendante de la fréquence — une perte dissipative et non dispersive, de 8.7dB8.7\,\mathrm{dB} par longueur δ\delta.

Exemple 8.11 (Trois câbles)

Le câble transatlantique de 1858 : un unique fil de cuivre sous gutta-percha, R3Ω/kmR \approx 3\,\Omega/\mathrm{km}, Γ0.3µF/km\Gamma \approx 0.3\,\text{µ}\mathrm{F}/\mathrm{km}, L=3000kmL = 3000\,\mathrm{km} : RΓ=9×1010s/m2R\Gamma = 9 \times 10^{-10}\,\mathrm{s}/\mathrm{m}^{2} et RΓL28sR\Gamma L^2 \approx 8\,\mathrm{s} par point : un mot à la minute, et les tentatives des opérateurs pour forcer le signal avec 2kV2\,\mathrm{kV} détruisirent l’isolant en quelques semaines. Une ligne téléphonique chargée de bobines tous les 2km2\,\mathrm{km} pour satisfaire la condition de Heaviside (1900) : une parole claire sur des centaines de kilomètres. Un câble coaxial moderne de 50Ω50\,\Omega : c=2×108m/sc = 2 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, Λ=0.25µH/m\Lambda = 0.25\,\text{µ}\mathrm{H}/\mathrm{m}, Γ=100pF/m\Gamma = 100\,\mathrm{pF}/\mathrm{m}, et une atténuation due à l’effet de peau dans les conducteurs (Chapitre 14), croissant comme f\sqrt f : quelques décibels par centaine de mètres à 100MHz100\,\mathrm{MHz}.

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