Quelques remarques sur la transmission de l’énergie électromagnétique en champ proche

Publié dans les annales de la fondation Louis de Broglie, Volume 33, numéro 3-4, 2008
H. BONDAR (1) et F.BASTIEN (2)
(1) TMMS Co Ltd Kyoto, Japan
(2) Institut FEMTO-ST département
32 Av. de l’observatoire 25000 Besançon, France

Résumé

L’intérêt pour la transmission d’énergie vers des outils mobiles a relancé les études sur la transmission non radiative d’énergie en champ proche. Dans ce cadre, certaines configurations que l’on trouve dans des articles et brevets récents font état d’une transmission à distance selon un mode longitudinal. L’existence d’ondes scalaires incompatibles avec les équations de Maxwell est évoquée.
Après avoir proposé une nouvelle taxonomie similaire à celle utilisée pour l’étude des milieux matériels continus, les auteurs montrent que les dispositifs et expériences répertoriés ont un fonctionnement interprétable dans le cadre mathématique existant. Cependant le champ proche macroscopique semble posséder une dimension mécanique irréductible à une interprétation standard qui nécessite une globalisation du concept d’interaction en accord avec le principe de Mach et les modèles géométriques récents basés sur l’étude de variétés déformables. En outre la notion de flux local d’énergie devient ambiguë.

1 –Préliminaires
Après avoir permis à l’homme de communiquer avec des appareils d’exploration distants de plusieurs millions de kilomètres, les champs électromagnétiques sont de plus en plus utilisés dans des applications dites de champs proches. En parallèle avec la transmission du signal qui se fait avec des rendements extrêmement faibles, il est souvent question de transmission simultanée de l’énergie afin de rendre les dispositifs distants actifs et autonomes malgré l’absence d’une unité de stockage [1]. Récemment un nouveau dispositif à été étudié au Etats-Unis afin de transférer à moyenne distance et avec un bon rendement de l’énergie dans un cadre non radiatif [2].
Pour ce faire ce dispositif et de nombreux autres utilisent de simples bobines ou des antennes plates de type spirales gravées qui sont souvent placées à courte distance sur le même axe. De tels dispositifs se comportent davantage, compte tenu des fréquences utilisées, comme des transformateurs à air que comme des dispositifs de type émetteurs-récepteurs radiofréquences.
Une confusion est ainsi trop souvent présente entre le fonctionnement en champ proche et le régime des ondes électromagnétiques. Pourtant nous allons montrer qu’il est possible de trouver entre ces deux modes autant de différences qu’il y en a entre un courant d’air et une onde acoustique.

A une expression du type « dispositif d’identification radio fréquence (RFID) en champ proche » il conviendrait plutôt de substituer l’expression  « systèmes d’identification à couplage inductif faiblement rayonnant ». Cette confusion, qui laisse souvent sous-entendre que des ondes circulent entre les éléments, provient essentiellement d’une évolution dogmatique d’un enseignement qui fait la part belle aux ondes tout en laissant de côté l’aspect plus délicat du champ proche.
Ce premier élan en faveur de l’interprétation ondulatoire des phénomènes observé à débuté lors de ce que l’on a appelé l’unification électromagnétique. Cet enseignement fut conforté depuis par l’élaboration du modèle standard appuyé par l’attitude de Richard Feynman qui prétendait, à notre connaissance sans en apporter la démonstration, que tous les phénomènes électriques et magnétiques se ramènent, in fine, à un échange de photons.
En dehors de toute polémique, il convient de rappeler prosaïquement qu’unification ne signifie pas identité. Tout comme l’unification électrofaible, qui fait tenir dans un même cadre mathématique les phénomènes E.M. et l’interaction faible, n’a rien changé à notre manière de voir les phénomènes E.M., l’unification E.M. n’empêche en rien l’existence propre de phénomènes simplement électriques où magnétiques. La combinaison de ces deux types de phénomènes qui provoque, dans des cas particuliers, l’apparition d’ondes E.M., ne doit en toute rigueur être vue, dans une représentation unifiée, que comme une configuration spécifique plutôt que comme la règle générale.
La distinction champ proche/champ lointain est aussi source de confusion. Si ce concept peut prendre une signification mathématique claire dans le cas de l’analyse de dispositifs existants, il ne permet pas à lui seul de caractériser le type de dispositif que l’on considère. Il existe ainsi des dispositifs rayonnants ou essentiellement rayonnants et d’autres qui ne rayonnent pas ou très peu. Ces derniers sont habituellement décrits par des modèles théoriques appelés approximations des régimes quasi-stationnaires de manière souvent impropre car les solutions obtenues présentent un caractère dynamique et sont, au même titre que les ondes E.M, des solutions particulières approchées ou exactes de l’ensemble des équations de Maxwell [3].
Les discontinuités formelles entre les différents régimes électriques, magnétiques et électromagnétiques sont connues mais souvent éludées dans les cours de physique [4]. Pour sortir de la grande confusion qui règne dans le domaine et pouvoir aborder sainement des situations pratiques comme la classification des effets biologiques des champs et des rayonnements ou des considérations théoriques comme l’existence d’ondes longitudinales et la complétude du modèle standard, il nous semble avant tout nécessaire de faire un effort de taxonomie et de choix d’un vocabulaire approprié.
Une expression compactée du type « moteur électrostatique » a de quoi faire grincer les dents n’est ce pas ? Inversement si l’on considère une situation similaire dans le domaine électromagnétique à celle de l’étude de l’écoulement autour d’une éolienne, nous sommes actuellement contraints, si nous voulons être suffisamment précis, à dire un peu lourdement que nous étudions le champ proche d’un dispositif entrant dans le cadre d’une approximation d’un régime quasi-stationnaire. 
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