Cette thèse a pour objectif d’étudier les interactions entre les champs électromagnétiques microondes et la matière pour obtenir des forces ou des mouvements. Si l’électrodynamique est largement exploitée (à travers les machines électriques par exemple), elle ne l’est pas en hautes fréquences, malgré des propriétés qui peuvent sembler intéressantes : une propagation possible dans l’air ou dans le vide, des puissances disponibles désormais importantes, une taille caractéristique centimétrique, etc.
Cette thèse est un premier pas de l’équipe dans ce domaine. Les objectifs de cette thèse sont triples. Le premier est de faire un état de l'art des outils permettant d'aborder l'électrodynamique microonde, des travaux déjà réalisés dans ce domaine et en déduire les pistes qui restent à explorer. Le second est de proposer un dispositif expérimental permettant la mise en mouvement d'un objet massique centimétrique, afin de casser l'idée que les forces électrodynamiques (la "pression de radiation"), aux fréquences microondes, sont trop faibles pour cela. Le dernier est d’exploiter les spécificités des microondes pour dépasser la pression de radiation.
Pour cela, une introduction détaillée de l'électrodynamique est proposée dans un premier chapitre. En partant de l'analyse des dispositifs existants exploitant l'électrodynamique, puis en se focalisant sur les dispositifs fonctionnant à hautes fréquences, nous détaillons les besoins qui restent à combler et comment les microondes peuvent être une solution. Nous expliquons alors quels outils permettent de l'aborder. Trois approches permettant d’aborder un problème électrodynamique sont détaillées : l'approche force, l'approche quantité de mouvement et l'approche tenseur des contraintes de Maxwell.
Un second chapitre s’intéresse à un premier dispositif "onde + objet" conçu et réalisé pendant la thèse. Ce dispositif permet la rotation d’un Split Ring Resonator (SRR) à partir d’un champ à polarisation circulaire. Une étude analytique menée à partir de l'approche force ainsi qu’une étude numérique ont mené à une réalisation expérimentale. La réalisation de ce dispositif est alors détaillée et discutée et nos premiers résultats expérimentaux sont exposés : à une puissance de 150 W, à 2.45 GHz, le SRR (de dimensions centimétriques) a été mis en rotation, avec des accélérations angulaires de plusieurs dizaines de °.s-2, permettant d'atteindre des demi-tours par seconde ! Le dispositif expérimental conçu nous a permis de tester des configurations différentes, nous permettant d’étudier l’importance et les limites des résonances dans le transfert de quantité de mouvement linéaire, ouvrant la voie à la conception d’une cavité résonante d’un point de vue électrodynamique.
Un troisième et dernier chapitre étudie la possibilité d’augmenter la quantité de mouvement que porte une onde, pour une puissance donnée, en jouant sur sa vitesse. Un raisonnement que l’on détaille nous mène à considérer un dispositif simple pour illustrer et quantifier l’importance de cette vitesse : la réflexion d’un plasmon de surface sur une surface conductrice électrique parfaite (PEC). Il apparait que les forces engendrées par la réflexion du plasmon sur le PEC sont proportionnelles au "taux de ralentissement" de l'onde : pour une même puissance, plus le plasmon est lent, plus les forces sont grandes (de façon proportionnelle). On "dépasse" ainsi, comme souhaité, la pression de radiation. De surcroit, il apparait que les forces obtenues sont localisées près du dioptre et que le plasmon engendre des forces de cisaillement très importantes sur la surface PEC, de part et d'autre du dioptre.
Ces résultats nous ont permis d’atteindre nos objectifs en montrant que l'on pouvait faire bouger des objets avec des microondes et que l'on pouvait obtenir des résultats exotiques. Ils ouvrent de plus de nombreuses perspectives qui sont discutées en conclusion. |
This thesis aims to study the interactions between microwave electromagnetic fields and matter in order to obtain forces or movements. While electrodynamics is widely used (in electrical machines, for example), it is not applied to high frequencies, despite properties that may seem interesting: possible propagation in air or in a vacuum, significant available power, centimetric characteristic size, and so on.
This thesis is the team's first step in this field. The objectives are threefold. The first is to review the state of the art in tools for addressing microwave electrodynamics, the work already carried out in this field, and to deduce the paths that remain to be explored. The second is to propose an experimental device for setting a centimetric mass object in motion, in order to break the belief that electrodynamic forces (the “radiation pressure”), at microwave frequencies, are too weak for this. The last is to exploit the specific features of microwaves to overcome radiation pressure.
To this end, a detailed introduction to electrodynamics is given in the first chapter. Starting with an analysis of existing electrodynamics devices, then focusing on the one operating at high frequencies, we detail the needs that remain to be met and how microwaves can be a solution. We then explain which tools can be used to address the problem, and three approaches that can be used: the force approach, the momentum approach and Maxwell's stress tensor approach.
A second chapter focuses on a first “wave + object” device designed and implemented during the thesis. This device rotates a Split Ring Resonator (SRR) using a circularly polarized field. An analytical study based on the force approach and a numerical study led to an experimental realization. The experimental set-up is then detailed and discussed, and our first experimental results are presented: at a power of 150 W, at 2.45 GHz, the SRR (of centimetric dimensions) was rotated, with angular accelerations of several tens of °.s-2, achieving half-turns per second! The experimental set-up we designed enabled us to test different configurations, letting us study the importance and limits of resonances in linear momentum transfer, paving the way for the design of a resonant cavity from an electrodynamic point of view.
A third and final chapter studies the possibilities of increasing the momentum carried by a wave, for a given power, by changing its speed. A detailed investigation leads us to consider a simple device to illustrate and quantify the importance of this velocity: the reflection of a surface plasmon on a perfect electric conductor surface (PEC). It appears that the forces generated by the plasmon reflection on the PEC are proportional to the wave's “deceleration rate”: for the same power, the slower the plasmon, the greater the forces (proportionally). The radiation pressure is thus “exceeded”, as desired. Moreover, it appears that the forces obtained are localized close to the diopter and that the plasmon generates very significant shear forces on the PEC surface, on both sides of the diopter.
These results have enabled us to achieve our objectives, showing that we can move objects with microwaves, and that we can obtain exotic results. They also open up a number of new perspectives, which are discussed in the conclusion. |