M2 Formation à l'enseignement supérieur en Physique des Systèmes d'Energie électrique et Electroniques

Séance 1 :Rappels asservissement continu + lieu des pôles. Représentation d'état continu, solution temporelle, changement de base, stabilité (et passage fonction de transfert), commandabilité et retour d'état par placement de pôles Séance 2 :Représentation d'état continu, observabilité, observateur de Luenberger, commande par retour d'état et observateur Séance 3 :Représentation d'état des systèmes non linéaires, gain complexe équivalent et plan de phase Séance 4 :Ateliers pédagogiques Séance 5 :Asservissement numérique, généralités, stabilité, critère algébrique, lieu des pôles Séance 6 :Commande RST, réponse pile Séance 7 :Représentation d'état numérique, méthodes de discrétisation, commandabilité, observabilité, pertes de commandabilité/observabilité, retour d'état et observateur.

L’unité d’enseignement permet une consolidation des connaissances en automatique du programme de licence et de master 1 en se focalisant sur la mise en place pratique de ces connaissances en vue de préparer une manipulation, un cours ou un td.

Automatique linéaire et continu : Identification d’un processus simple et correction du type P, PI, PID.

E. Hubert, Traitement du signal et automatique. 1. Traitement du signal et asservissements analogiques. Paris : Hermann, 2000. E. Hubert, Traitement du signal et automatique. II. Asservissements linéaires échantillonnés et représentation d'état. Paris : Hermann, 2001. G. Yves, Automatique : systèmes linéaires, non linéaires, à temps continu, à temps discret, représentation d'état, événements discrets. Paris : Dunod, 3e édition [enrichie]. ed., 2015. V. Philippe, Automatique des systèmes échantillonnés : éléments de cours et exercices résolus. Paris : éd. Technip, 2001. B. Alain and B. A

Septembre - Octobre - Novembre.

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Cours/TD, TP et cours/TP alternent au premier semestre.

Langages
32 h élèves : 4 h cours, 4 h de TD, 24 h de TP.
Programmation Objet, en C++ et en Java, notion de variable, pointeur, référence, classe, objet, méthode, héritage, polymorphisme, exception, threads, héritage multiple, interface, programmation événementielle seront introduits dans ce cours et abordés en travaux pratiques.

Systèmes d’exploitation
8 h élèves : 2 séances de cours/TP de 4 h.
Séance 1 : utilisation du terminal et langage Bash en ligne de commande et script.
Séance 2 : installation d’un système, gestion du file system. Les soubassements des file systems : LVM, RAID. Administration de la machine. Installation d’un service web minimal pour la surveillance de la machine.

Réseaux
32 h élèves : 16 h cours/TD, 16 h de TP.

Séance 1 : Introduction aux réseaux, la topologie, les couches OSI, LAN/WAN,
Réseaux de terrain / réseaux IP
La couche physique : Ethernet, WIFI, les switch

Séance 2 : La couche réseau IP, ARP, routage et translation d’adresses,
le protocole DHCP, IPv4, IPv6, VLAN

Séance 3 : Les couches transport UDP et TCP, les ports, les proxy

Quelques couches applications : DNS, HTTP, FTP, SSH, SMTP
Séance 4 : Introduction à la cybersécurité, VPN, Firewall, tunnel SSH

Les TPs abordent les notions vues en cours autour de l’installation d’un réseau administré et sécurisé comprenant des serveurs accessibles depuis l’extérieur. Les TDs font usage d’un simulateur de réseau GNS3.

Programmation en langage C.

Systèmes d'exploitation, Andrew Tanenbaum & Co; Auteur(s) : Tanenbaum, Andrew (1944-....) Édition : Paris : Pearson Education, DL 2003 Systèmes d'exploitation : principes et fonctions, Sacha KRAKOWIAK, 10 août 2015, Techniques de l’ingénieur H1510 V2 Les réseaux, Guy Pujolle, Eyrolles; Édition : 9 (5 juillet 2018) Réseaux, Andrew Tanenbaum, PEARSON (France); 5e édition (25 août 2011) Cisco Networking Academy www.netacad.com Documentation du logiciel de simulation réseau GNS3 www.gns3.com Documentation du logiciel analyseur de réseaux IP https://www.wireshark.org/.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier.

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L'UE est bien adaptée à un traitement essentiellement expérimental. Après une présentation des concepts théoriques (nouveaux ou de rappels) la mise en œuvre expérimentale est l'occasion de confronter la pratique à la théorie, de mettre en évidence les limites de fonctionnement des dispositifs, de trouver les domaines de validité des modèles, ... Il s'agit aussi d'acquérir de fortes compétences expérimentales (utilisation d'appareils et de méthodes d'un laboratoire d'électronique). L'évaluation de l'UE porte en partie sur ces compétences.

L'objectif est d'étudier au travers de leurs réalisations les fonctions élémentaires d'une chaîne de traitement analogique du signal au sens large (en visant essentiellement les applications télécommunication et instrumentation). Les principales fonctions étudiées (étude générale, puis analyse d'une réalisation, caractérisation, mise en évidence des limites de fonctionnement, ...) sont : l'amplification (classes d'amplificateurs, amplificateurs à contrôle automatique de gain AGC, amplificateurs faibles bruit LNA, amplificateurs d'instrumentation, ...), le filtrage (synthèse et réalisation de filtres), la génération de signaux (oscillateurs, boucle à verrouillage de phase PLL, synthétiseur de fréquence, ...), le changement de fréquence (mélangeurs, analyseur de spectre hétérodyne, ...).
Plan:
I°) Du transistor aux amplificateurs
1°) Transistors bipolaires et FET, classes d'amplificateurs
2°) Du transistor à l'AOP réel
3°) Imperfections des amplificateurs (bande passante, rendement, bruits, non-linéarités, ...)
4°) Amplificateurs spécifiques
II°) Filtrage
1°) Analyse de la fonction de filtrage : du gabarit à la synthèse
2°) Réalisations de filtres, performances
III°) Génération de signaux
1°) Oscillateurs
2°) Synthèse de fréquence à PLL.

Electrocinétique (méthodes d'analyse des circuits, régimes sinusoïdaux, ...), physique des semi-conducteurs (jonction PN, transistors bipolaires et FET, modèles petits signaux BF et HF, ...), notions de télécommunications (modulations analogiques, structures des émetteurs récepteurs, ...).

Electronique appliquée aux hautes fréquences, François De Dieuleveult Transmission de signaux, Christophe More Amplificateurs fondamentaux et opérationnels, André Lantz Précis d'électronique, Jean-Luc Azan.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre.

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L'UE est bien adaptée à un traitement tant théorique qu’expérimental. Après une présentation des concepts théoriques (nouveaux ou de rappels), la mise en œuvre expérimentale sera l'occasion de confronter la pratique à la théorie, de visualiser des signaux tant dans le domaine temporel que dans le domaine spectral. Des oscillateurs, PLL, synthétiseurs de fréquence, modulateurs analogiques, modulateurs numérique seront pour ce faire mis en œuvre.

L’objectif est d’étudier les diverses techniques et moyens électroniques permettant d’effectuer des télécommunications numériques, que le canal de transmission soit filaire ou sans fil. Pourcela, l’ensemble des fonctions électroniques et outils théoriques nécessaires seront développés. Les canaux de transmissions seront également étudiés et les aspects liés au bruit, et au rapport signal sur bruit développés.
Le plan est le suivant :
I) Electronique pour les télécommunications numériques
- Lignes et adaptation,
- Formalisme, paramètres S,
- Bilan de liaison, antennes,
- Analyseur de réseau vectoriel,
- Oscillateurs,
- Boucle à verrouillage de phase,
- Modulations analogiques.

Electronique analogique, électronique pour les télécommunications, chaîne d’acquisition numérique du signal, théorie du signal, traitement numérique du signal.

•M. Joindot, A. Glavieux, Introduction aux communications numériques, Editions DUNOD, •D. Ventre, Communications analogiques, Editions Ellipses, •F. de Coulon, Théorie et traitement du signal, Traité d’électricité Vol. VI, Editions Presse Polytechniques et Universitaires Romanes, •J.G. Proakis, M. Salehi, Digital Communications, Editor Mac Graw Hill.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier.

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Dans cette unité d’enseignement est abordée l’étude dans sa globalitédu vecteur électricité dans la conversion d’énergie : de la production à sa transformation en passant par le transport.
Pour l’étude du transport et de la distribution de l’électricité, sont aussi bien abordés les constituants physiques comme par exemple les transformateurs et les disjoncteurs, que les outils mathématiques pour l’analyse des systèmes triphasés (composantes symétriques, modèles équivalents monophasés).
En relation avec le cours d’électronique de puissance, les systèmes de conversion d’énergie électrique seront étudiés dans leurs environnements (réseau d’alimentation, charge mécanique …).

Nombres complexes Lois de Kirchoff Modèles en régime permanent des machines à courant continu, machines synchrones, machines asynchrones et des transformateurs. Convertisseurs d’électronique de puissance : redresseurs à diodes, hacheurs, onduleurs de tension à deux niveaux. Utilisation de l’oscilloscope.

Le réseau électrique dans son intégralité De Pieter Schavemaker et Lou Van der Sluis Traduit par Emmanuel Hoang EDP Sciences - Collection : PROfil - mars 2019.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre.

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Première partie : Antennes ; 2 séances de cours et TD, un TP de simulation d'antenne patch, passage à deux antennes, adaptation d'impédance. Deuxième partie : Ondes guidées ; 2 séances de cours et TD, deux séances de TP de simulation, guides d'ondes métalliques et guides d'ondes diélectriques.

Le but de cette UE est de donner des bases sur les antennes et sur les ondes guidées.
Pour les antennes, les principales caractéristiques sont introduites : diagramme de rayonnement, gain, impédance équivalente.
Différents types d'antennes sont présentées : antennes filaires, boucles et antennes patch, réseau d'antennes.
Pour ce qui est des guides d'ondes les deux domaines microondes et optiques sont étudiés. On insiste sur les notions de mode de propagation, indice effectif, vitesse de groupe, dispersion chromatique et intermodale, confinement.
Des simulations sur logiciel de calcul par éléments finis sont proposées.

Équations de Maxwell dans le vide et dans la matière.

KeigoIizuka, Elements of Photonics, Wiley-Interscience 2002. Jia-Ming Liu, Photonic Devices, Cambridge University Press, 2010. P.F. Combes, Microondes - Volume 2 : Circuits passifs, propagation, antennes, Dunod.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Cours/TD : (20h) Electrophysiologie : (3h) Rappel : Fonctionnement d’une cellule Création et Propagation d’un potentiel d’action : modèle de ligne d’un axone Propriétés diélectriques du vivant (3h) Impédance tissulaire/cellulaire : modèles de Fricke et de Cole-cole Modèle de perméabilité membranaire Electronique de mesure : effet de l’interface électrode-électrolyte

Interaction champ électromagnétique et vivant (6h) Effet du champ sur le vivant : DAS Utilisation sur champ à l’échelle de la cellule : Magnétophorèse Diélectrophorèse Electrorotation ElectroPerméabilisation : principe et applications

Micro-électronique pour la biologie (8h) Grands principes : puce ADN, puce à protéine, puce à cellule Organes sur puces (étude d’articles)

TP : (2x4h) Simulation du modèle de Huxley d’un canal ionique Manipulation de particule par champ électrique : diélectrophorèse sur puce.

Ce cours vous donnera les notions de base vous permettant d’appréhender l'interaction champ électrique/cellule. En premier lieu quelques notions d'électrophysiologie vous seront données ou rappelées - à savoir comment un potentiel d'action se propage le long d'un neurone ou au niveau d'une synapse. Dans un second temps le comportement d'une cellule plongée dans un champ électrique sera étudié, comment capturer une cellule, trier plusieurs types cellulaires, comment traiter les cellules ou un tissus cellulaire par champ électrique. Les micro et nanotechnologies utilisées pour concevoir les biopuces utilisant ces principes seront présentées.

Des connaissances de base en électrostatique et en électromagnétisme sont nécessaires.

[Français '17] O. Français and B. Le Pioufle, Single CellElectricalCharacterization Techniques. In Handbook of Electroporation, Miklav?i?, D., Ed. Springer International Publishing: Cham, 2017; pp 271-288. [Hodgkin '52] A. L. Hodgkin and A. F. Huxley A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. The Journal of physiology, 117, (4), 500-544, 1952. [Lee '20] H. Lee, S. J. Kim, M. Frenea-Robin, B. Le Pioufle, T. H. N. Dinh, S. Serfaty and P.-Y. Joubert, Electricity for Fluidics and Bio-Devices. In Engineering of Micro/Nano Biosystems

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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5 séances de cours-TD de 4h 2 séances de TP de 4h Mesures et modélisation des pertes dans les matériaux doux Modèle de Weiss-Brillouin, résolution numérique de l’équation Mf(H,T).

Théorie du magnétisme (4h)
diamagnétisme, paramagnétisme de spin 1/2, ferromagnétisme de Weiss
Micromagnétisme (8h)
Energies constitutives d'un milieu magnétique, structure d'une paroi, calcul d'une structure en domaines,modèle de Stoner-Wholfarth,
Nanomagnétisme (4h)
anisotropie aléatoire, superparamagnétisme et couches minces
Pertes dans les matériaux doux (4h)
Pertes classiques résolution en H et en B, modèle de Bertotti.

Équations de Maxwell dans les milieux matériels Électrodynamique, modèle ampérien du magnétisme de matériaux.

F. Mazaleyrat, Matériaux magnétiques des principes aux applications (polycopié) E. du Trémolet de Lachesserie, Magnétisme I & II, Éditions de Physique C. Kittel, Physique de l’état solide, Dunod P. Brissoneau, Magnétisme et matériaux magnétiques pour l'électrotechnique, Dunod G. Berttoti, Hysteresis in magnetism, Academic Press A. Herpin, Théorie du magnétisme, Dunod.

Octobre - Novembre - Décembre.

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M. Arnaud Bournel M. Bernard Journet.

Les deux thématiques sont réparties en trois séances pour les nanotechnologies et quatre séances pour les télécommunications optiques.

En nanotechnologies, une introduction générale présente le marché des semiconducteurs dans toute sa diversité et son évolution. Un panorama des composants standard est ensuite dressé : diodes, transistors bipolaires et à effet de champ. Puis deux alternatives sont étudiées : dispositifs à base de nanostructures de carbone ou spintroniques exploitant les propriétés de matériaux ferromagnétiques. La conclusion ouvre à d’autres pistes en exploration ou déjà en essor d’un point de vue production.

En télécommunications optiques c'est en trois séances de cours que les principaux composants présents dans un système de communication par fibre optique sont présentés. Une séance de TP est organisée autour d'un système Opto-microondes.

Le but de la thématique télécommunications optiques est de présenter sous l'aspect physique appliquée les principaux phénomènes mis en jeu dans les systèmes de communication à fibres optiques. Ainsi les principales notions concernant les composants d'extrémité, les modulateurs optiques, les propriétés des fibres optiques, les amplificateurs optiques et les multiplexeurs/démultiplexeurs à réseau sont étudiés.

La partie nanotechnologies part de notions fondamentales sur la physique des matériaux pour décrire des composants utiles pour les systèmes électroniques. Il s’agit non seulement de composants à semiconducteurs depuis longtemps utilisés dans les circuits intégrés mais aussi d’alternatives à base de matériaux innovants ou exploitant le spin électronique, qui se situent à différents degrés de maturité entre recherche et production.

Notions sur les semiconducteurs Notions d'optique ondulatoire et d'ondes guidées.

Gorind P. Agrawal, Lightwave Technology, Telecommunication systems, Wiley-Interscience 2005 Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, Mac GrawHill, 4th Ed. 2010.

André Vapaille et René Castagné, Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs, Dunod Nanoscience : Nanotechnologies et Nanophysique, edité par C. Dupas, P. Houdy, M. Lahmani, Belin.

Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Les cours et cours-TD ont lieu à l’ENS Paris-Saclay. Une visite et un TP ont lieu au synchrotron Soleil, plutôt en dernière partie de module. La validation se fait typiquement par un examen portant sur les cours et cours-TD (avec une seconde session en cas de besoin). Le TP est également pris en compte ; le travail sur une ligne de lumière de synchrotron se prêtant plus ou moins facilement à une notation, ce TP peut donner lieu par exemple à une soutenance orale a posteriori.

La compréhension de l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière est cruciale pour des domaines tels que l’analyse des matériaux (actuels ou du patrimoine), les capteurs, la conversion d’énergie (photovoltaïque) et la physique médicale (imagerie médicale, radiothérapie, radioprotection).
La description cristallographique de la matière est indispensable à la compréhension de l’interaction rayonnement-matière, et vice-versa. Les notions de base de cristallographie seront donc tout d’abord apportées (notions de réseau réel et réciproque, propriétés de symétrie des cristaux, exemples de structures).
On passera ensuite à l’étude de la diffraction des rayons X, de la description des dispositifs expérimentaux à l’analyse des figures de diffraction habituelles. L’absorption des rayons X sera également brièvement traitée.
La tomographie à émission de positons sera étudiée à la fin du cours, depuis ses principes physiques jusqu’au traitement mathématique nécessaire à l’obtention des images en 3D.
Une séance de travaux pratiques aura lieu au synchrotron Soleil (après une visite générale de celui-ci), sur des lignes de lumière de tomographie ou de diffraction des rayons X.

Mathématiques : des notions élémentaires de géométrie dans l’espace ; la transformée de Fourier. Physique : notions élémentaires d’optique géométrique et ondulatoire et d’électromagnétisme (pour la visite de Soleil).

A titre d’exemple, sur la cristallographie : J. J. Rousseau Cristallographie géométrique et radiocristallographie, Masson D. Schwarzenbach Cristallographie, Presses polytechniques et universitaires romandes M. Van Meerssche et J. Féneau-Dupont Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale Editions Peeters Louvain la Neuve D. Weigel Cristallographie et structure des solides (Tome 1) Masson

Sur le synchrotron Soleil : https://www.synchrotron-soleil.fr/fr.

Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars.

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Cette UE comprend 7 séances de cours/TD dont 3 sont dédiées à l'étude des plasmas, et 4 à l'étude des matériaux piézoélectriques.

Le cours de physique des plasmas est construit autour de l’ensemble des connaissances et résultats communs à trois domaines :les plasmas industriels,les plasmas thermonucléaires et les plasmas naturels et astrophysiques.Le cours est dédié aux applications énergétiques des dispositifs plasmas. Les principes de la fusion thermonucléaire, la théorie du claquage dans les gaz et la physique des décharges seront abordés après l’études des échelles caractéristiques et processus fondamentaux.

Les propriétés électromécaniques des matériaux PZT sont expliquées à partir de leur structure cristallographique et de leur structure à l’échelle des domaines ferroélectriques. Leurs propriétés électromécaniques formalisées à partir de tenseurs permettentde modéliser leurs comportements à travers les équations d’état de la piézoélectricité. Les différentes nuances de PZT et leurs méthodes de fabrication sont présentées. Des applications dans les domaines des actionneurs et des capteurs sont décrites.

La théorie des plasmas s’appuie sur la théorie électromagnétique des phénomènes électriques, magnétiques et optiques et donc une bonne maitrise de cette discipline est recommandée.

Pour ce qui est matériaux piézoélectriques, les étudiants doivent avoir des notions concernant l’électrostatique, les matériaux diélectriques et la mécanique des milieux continus.

Plasmas. Jean Marcel Rax, Physique des Plasma, Editions Dunod, Collection Sciences SUP, 4e Ed. Mars 2016 Jean Marcel Rax, Physique des Tokamaks, Éditions de l’Ecole Polytechnique, Collection Physique, 1e Ed, Fév. 2011 Jean Marcel Rax, Physique de la Conversion d’Energie, Éditions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 1e Ed. Février 2015.

Matériaux piézoélectriques.

Ondes élastiques dans les solides, Tome 1, D. Royer et E. Dieulesaint, Masson. Physique des diélectriques, J-C. Peuzin et D. Gignoux, EDP Sciences.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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4 séances de cours suivies de 3 séances de travaux pratiques.

Contenu du cours :
Dans une première partie, le cours présente les principes généraux de l’instrumentation, à savoir l’utilisation de capteurs (éléments sensibles à une grandeur physique d’entrée et délivrant en sortie une grandeur - en général - électrique) et leur mise en œuvre au sein de montages électroniques en vue de réaliser des mesures aux caractéristiques maitrisées.
Dans une seconde partie, ces principes sont illustrés au travers de différents capteurs magnétiques et de leur utilisation dans des applications industrielles.
Plan du cours (16h)
1.Capteurs et instrumentation
1.1.Introduction :
1.1.1.De l’utilité des capteurs ?
1.1.2.Rôle de l’instrumentation
1.1.3.Un peu de vocabulaire
1.2.Capteurs :
1.2.1.Généralités
1.2.2.QQ grands types de capteurs
1.2.3.Exemples
1.2.4.Caractéristiques
1.2.5.Erreurs de mesure
2.Instrumentation :
2.1.Conditionneurs
2.2.Amplification
3.Capteurs magnétiques et applications industrielles
3.1.Généralités
3.2.Capteurs inductifs
3.3.Capteurs de Hall
3.4.Magnétorésistances anisotropes (AMR)
3.5.Magnétorésistances géantes (GMR)
3.6.FluxGates
Travaux pratiques (12h)
1.Evaluation non destructive de la conductivité et de l’épaisseur de pièces métalliques au moyen d’un capteur à courants de Foucault : modélisation et mise en œuvre expérimentale.
2.Mesure linéaire de champ magnétique au moyen d’un capteur GMR à compensation de flux : simulation, mise en œuvre et caractérisation du système.

Maîtrise des bases de l’électronique analogique (circuits RLC, montages à amplificateurs linéaires, amplificateurs, oscillateurs, boucles à verrouillage de phase). Maîtrise des bases de l’électricité et de l’électromagnétisme : électrostatique, magnétostatique, équations de Maxwell. Maîtrise des bases sur les matériaux conducteurs, diélectriques, magnétiques.

Les capteurs en instrumentation industrielle - 8e édition, Collection : Technique et ingénierie, Dunod Parution : novembre 2017, Georges Asch et al.

Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Des rappels d’électromagnétisme seront fait au travers de l’étude de systèmes en lien avec l’électricité. Puis nous verrons comment la thermodynamique permet d’étudier des systèmes de conversion d’énergie (pompe à chaleur, cellule Peltier, accumulateurs électrochimiques…) Puis nous verrons comment la thermodynamique et l’électromagnétisme sont complémentaires pour décrire des systèmes électromécaniques (machines tournantes, actionneurs électrostatiques, élastomères diélectriques). Finalement, après avoir décrit et modélisé le comportement des machines électriques, nous étudierons leurs interactions à un niveau système, comme avec le réseau électrique ou divers éléments mécaniques.

Les couplages physiques, comme les interactions entre mécanique et électromagnétisme, sont à la base des systèmes de conversion d’énergie électromécanique.La vision proposée se veut, à la fois transversale entre différentes approches : électromagnétisme et thermodynamique, mais aussi en termes de granulosité : nous irons de l’interaction locale (approche physique) à l’interaction entre systèmes (approche « ingénieur »).
L’électromagnétisme donne une description fine des forces qui en découlent. La thermodynamique, quant à elle, donne une approche systémique pour décrire les systèmes de conversion d’énergie.

Connaissances de premier cycle en électromagnétisme, thermodynamique, mécanique et machines électriques.

Fournet, 1985. Electromagnétisme Dunod., Nogarède, B., Electrodynamique appliquée Dunod, ed., Dunod. Pérez, J.-P. et al., Électromagnétisme?: Fondements et applications Dunod., Chatelain, J., Machines électriques, Dunod.

Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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- Cours sur la pédagogie propre à l’enseignement - Cours sur la modélisation des systèmes multidisciplinaires - Cours et TP sur un langage de description des systèmes multidisciplinaires ; le SYSML - TPs sur les systèmes multidisciplinaires et exploita.

L’objectif de cette unité d’enseignement est de préparer les étudiants aux différentes épreuves multidisciplinaires du concours de l’agrégation de sciences industrielles de l’ingénieur. Ces épreuves font appel à des compétences aussi bien dans le domaine du génie électrique que du génie mécanique et du génie civil. D’autre part, les démarches pédagogiques spécifiques à l’enseignement seront également abordées (référentiels, méthodes d’apprentissages, etc.).

L’UE permet d’appréhender la modélisation et un outil de description de systèmes multidisciplinaire comme le SYSML. Puis au travers d’activités autours de systèmes multidisciplinaires, il est demandé de construire des séquences pédagogiques à un niveau scolaire fixé.

Programme des sciences industrielles des classes préparatoires aux grandes écoles PT.

Rapports de jury de l’agrégation de sciences industrielles de l’ingénieur.

Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Chaque étudiant présente devant l'ensemble de la promotion un certain nombre de leçons et de montages en lien avec les domaines de la spécialité du M2, de l'EEA au sens large, ou d'autres domaines des sciences industrielles de l'ingénieur. Les sujets traités font partie intégrante de la formation. Pour les leçons, en amont de la présentation, la construction de la séance est réalisée en lien avec un enseignant de la formation. Cet enseignant, ainsi que l'ensemble de la promotion participe ensuite à la présentation d'une durée d'une heure. Un temps est ensuite réservé pour un questionnement menant à une analyse critique des choix pédagogiques réalisés. Pour les montages, les manipulations sont préparées et exploitées en amont de la séance. Une présentation de deux heures selon une démarche progressive cohérente et structurée est attendue. Cette présentation est interactive avec un enseignant et l'ensemble de la promotion. Les questionnements sont menés sans limite de niveau dans un but de compréhension exhaustive du sujet traité.

La présentation de leçon, comme le montage, constitue un exercice de communication scientifique et de transmission de savoir que doit maitriser un futur enseignant/chercheur. Il s'agit également d'un moment de participation active à la formation de M2 FESup.
Lors d'une séance de leçon, l'étudiant prend en charge une séance de cours en lien avec un intitulé précis. La thématique imposée est resituée dans une séquence de niveau bac+2, L3 ou M1. L'objectif est à la fois de montrer une bonne maitrise du sujet, une aisance dans sa présentation, ainsi qu'une réflexion pédagogique sur les choix de présentation, les outils utilisés, les illustrations, ...
L'activité de montage reprend en grande partie l'idée précédente, mais avec un traitement essentiellement expérimental. L'exercice de communication se base sur une série de manipulations intégrées à la présentation. L'approche pédagogique du sujet est démontrée lors de la présentation. C'est également l'occasion d'un questionnement avec l'ensemble de la promotion dans le but d'affiner la compréhension fine des concepts et des objets manipulés.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Première partie : Antennes ; 2 séances de cours et TD, un TP de simulation d'antenne patch, passage à deux antennes, adaptation d'impédance. Deuxième partie : Ondes guidées ; 2 séances de cours et TD, deux séances de TP de simulation, guides d'ondes métalliques et guides d'ondes diélectriques.

Le but de cette UE est de donner des bases sur les antennes et sur les ondes guidées.
Pour les antennes, les principales caractéristiques sont introduites : diagramme de rayonnement, gain, impédance équivalente.
Différents types d'antennes sont présentées : antennes filaires, boucles et antennes patch, réseau d'antennes.
Pour ce qui est des guides d'ondes les deux domaines microondes et optiques sont étudiés. On insiste sur les notions de mode de propagation, indice effectif, vitesse de groupe, dispersion chromatique et intermodale, confinement.
Des simulations sur logiciel de calcul par éléments finis sont proposées.

Équations de Maxwell dans le vide et dans la matière.

KeigoIizuka, Elements of Photonics, Wiley-Interscience 2002. Jia-Ming Liu, Photonic Devices, Cambridge University Press, 2010. P.F. Combes, Microondes - Volume 2 : Circuits passifs, propagation, antennes, Dunod.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Cours/TD : (20h) Electrophysiologie : (3h) Rappel : Fonctionnement d’une cellule Création et Propagation d’un potentiel d’action : modèle de ligne d’un axone

Propriétés diélectriques du vivant (3h) Impédance tissulaire/cellulaire : modèles de Fricke et de Cole-cole Modèle de perméabilité membranaire Electronique de mesure : effet de l’interface électrode-électrolyte

Interaction champ électromagnétique et vivant (6h) Effet du champ sur le vivant : DAS Utilisation sur champ à l’échelle de la cellule : Magnétophorèse Diélectrophorèse Electrorotation ElectroPerméabilisation : principe et applications

Micro-électronique pour la biologie (8h) Grands principes : puce ADN, puce à protéine, puce à cellule Organes sur puces (étude d’articles)

TP : (2x4h) Simulation du modèle de Huxley d’un canal ionique Manipulation de particule par champ électrique : diélectrophorèse sur puce.

Ce cours vous donnera les notions de base vous permettant d’appréhender l'interaction champ électrique/cellule. En premier lieu quelques notions d'électrophysiologie vous seront données ou rappelées - à savoir comment un potentiel d'action se propage le long d'un neurone ou au niveau d'une synapse. Dans un second temps le comportement d'une cellule plongée dans un champ électrique sera étudié, comment capturer une cellule, trier plusieurs types cellulaires, comment traiter les cellules ou un tissus cellulaire par champ électrique. Les micro et nanotechnologies utilisées pour concevoir les biopuces utilisant ces principes seront présentées.

Des connaissances de base en électrostatique et en électromagnétisme sont nécessaires.

[Français '17] O. Français and B. Le Pioufle, Single CellElectricalCharacterization Techniques. In Handbook of Electroporation, Miklav?i?, D., Ed. Springer International Publishing: Cham, 2017; pp 271-288. [Hodgkin '52] A. L. Hodgkin and A. F. Huxley A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. The Journal of physiology, 117, (4), 500-544, 1952. [Lee '20] H. Lee, S. J. Kim, M. Frenea-Robin, B. Le Pioufle, T. H. N. Dinh, S. Serfaty and P.-Y. Joubert, Electricity for Fluidics and Bio-Devices. In Engineering of Micro/Nano Biosystems

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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5 séances de cours-TD de 4h 2 séances de TP de 4h Mesures et modélisation des pertes dans les matériaux doux Modèle de Weiss-Brillouin, résolution numérique de l’équation Mf(H,T).

Théorie du magnétisme (4h)
diamagnétisme, paramagnétisme de spin 1/2, ferromagnétisme de Weiss
Micromagnétisme (8h)
Energies constitutives d'un milieu magnétique, structure d'une paroi, calcul d'une structure en domaines,modèle de Stoner-Wholfarth,
Nanomagnétisme (4h)
anisotropie aléatoire, superparamagnétisme et couches minces
Pertes dans les matériaux doux (4h)
Pertes classiques résolution en H et en B, modèle de Bertotti.

Équations de Maxwell dans les milieux matériels Électrodynamique, modèle ampérien du magnétisme de matériaux.

F. Mazaleyrat, Matériaux magnétiques des principes aux applications (polycopié) E. du Trémolet de Lachesserie, Magnétisme I & II, Éditions de Physique C. Kittel, Physique de l’état solide, Dunod P. Brissoneau, Magnétisme et matériaux magnétiques pour l'électrotechnique, Dunod G. Berttoti, Hysteresis in magnetism, Academic Press A. Herpin, Théorie du magnétisme, Dunod.

Octobre - Novembre - Décembre.

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M. Arnaud Bournel M. Bernard Journet.

Les deux thématiques sont réparties en trois séances pour les nanotechnologies et quatre séances pour les télécommunications optiques.

En nanotechnologies, une introduction générale présente le marché des semiconducteurs dans toute sa diversité et son évolution. Un panorama des composants standard est ensuite dressé : diodes, transistors bipolaires et à effet de champ. Puis deux alternatives sont étudiées : dispositifs à base de nanostructures de carbone ou spintroniques exploitant les propriétés de matériaux ferromagnétiques. La conclusion ouvre à d’autres pistes en exploration ou déjà en essor d’un point de vue production.

En télécommunications optiques c'est en trois séances de cours que les principaux composants présents dans un système de communication par fibre optique sont présentés. Une séance de TP est organisée autour d'un système Opto-microondes.

Le but de la thématique télécommunications optiques est de présenter sous l'aspect physique appliquée les principaux phénomènes mis en jeu dans les systèmes de communication à fibres optiques. Ainsi les principales notions concernant les composants d'extrémité, les modulateurs optiques, les propriétés des fibres optiques, les amplificateurs optiques et les multiplexeurs/démultiplexeurs à réseau sont étudiés.

La partie nanotechnologies part de notions fondamentales sur la physique des matériaux pour décrire des composants utiles pour les systèmes électroniques. Il s’agit non seulement de composants à semiconducteurs depuis longtemps utilisés dans les circuits intégrés mais aussi d’alternatives à base de matériaux innovants ou exploitant le spin électronique, qui se situent à différents degrés de maturité entre recherche et production.

Notions sur les semiconducteurs Notions d'optique ondulatoire et d'ondes guidées.

Gorind P. Agrawal, Lightwave Technology, Telecommunication systems, Wiley-Interscience 2005 Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, Mac GrawHill, 4th Ed. 2010.

André Vapaille et René Castagné, Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs, Dunod Nanoscience : Nanotechnologies et Nanophysique, edité par C. Dupas, P. Houdy, M. Lahmani, Belin.

Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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Les cours et cours-TD ont lieu à l’ENS Paris-Saclay. Une visite et un TP ont lieu au synchrotron Soleil, plutôt en dernière partie de module. La validation se fait typiquement par un examen portant sur les cours et cours-TD (avec une seconde session en cas de besoin). Le TP est également pris en compte ; le travail sur une ligne de lumière de synchrotron se prêtant plus ou moins facilement à une notation, ce TP peut donner lieu par exemple à une soutenance orale a posteriori.

La compréhension de l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière est cruciale pour des domaines tels que l’analyse des matériaux (actuels ou du patrimoine), les capteurs, la conversion d’énergie (photovoltaïque) et la physique médicale (imagerie médicale, radiothérapie, radioprotection).
La description cristallographique de la matière est indispensable à la compréhension de l’interaction rayonnement-matière, et vice-versa. Les notions de base de cristallographie seront donc tout d’abord apportées (notions de réseau réel et réciproque, propriétés de symétrie des cristaux, exemples de structures).
On passera ensuite à l’étude de la diffraction des rayons X, de la description des dispositifs expérimentaux à l’analyse des figures de diffraction habituelles. L’absorption des rayons X sera également brièvement traitée.
La tomographie à émission de positons sera étudiée à la fin du cours, depuis ses principes physiques jusqu’au traitement mathématique nécessaire à l’obtention des images en 3D.
Une séance de travaux pratiques aura lieu au synchrotron Soleil (après une visite générale de celui-ci), sur des lignes de lumière de tomographie ou de diffraction des rayons X.

Mathématiques : des notions élémentaires de géométrie dans l’espace ; la transformée de Fourier. Physique : notions élémentaires d’optique géométrique et ondulatoire et d’électromagnétisme (pour la visite de Soleil).

A titre d’exemple, sur la cristallographie : J. J. Rousseau Cristallographie géométrique et radiocristallographie, Masson D. Schwarzenbach Cristallographie, Presses polytechniques et universitaires romandes M. Van Meerssche et J. Féneau-Dupont Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale Editions Peeters Louvain la Neuve D. Weigel Cristallographie et structure des solides (Tome 1) Masson

Sur le synchrotron Soleil : https://www.synchrotron-soleil.fr/fr.

Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars.

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Cette UE comprend 7 séances de cours/TD dont 3 sont dédiées à l'étude des plasmas, et 4 à l'étude des matériaux piézoélectriques.

Le cours de physique des plasmas est construit autour de l’ensemble des connaissances et résultats communs à trois domaines :les plasmas industriels,les plasmas thermonucléaires et les plasmas naturels et astrophysiques.Le cours est dédié aux applications énergétiques des dispositifs plasmas. Les principes de la fusion thermonucléaire, la théorie du claquage dans les gaz et la physique des décharges seront abordés après l’études des échelles caractéristiques et processus fondamentaux.

Les propriétés électromécaniques des matériaux PZT sont expliquées à partir de leur structure cristallographique et de leur structure à l’échelle des domaines ferroélectriques. Leurs propriétés électromécaniques formalisées à partir de tenseurs permettentde modéliser leurs comportements à travers les équations d’état de la piézoélectricité. Les différentes nuances de PZT et leurs méthodes de fabrication sont présentées. Des applications dans les domaines des actionneurs et des capteurs sont décrites.

La théorie des plasmas s’appuie sur la théorie électromagnétique des phénomènes électriques, magnétiques et optiques et donc une bonne maitrise de cette discipline est recommandée.

Pour ce qui est matériaux piézoélectriques, les étudiants doivent avoir des notions concernant l’électrostatique, les matériaux diélectriques et la mécanique des milieux continus.

Plasmas. Jean Marcel Rax, Physique des Plasma, Editions Dunod, Collection Sciences SUP, 4e Ed. Mars 2016 Jean Marcel Rax, Physique des Tokamaks, Éditions de l’Ecole Polytechnique, Collection Physique, 1e Ed, Fév. 2011 Jean Marcel Rax, Physique de la Conversion d’Energie, Éditions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 1e Ed. Février 2015.

Matériaux piézoélectriques.

Ondes élastiques dans les solides, Tome 1, D. Royer et E. Dieulesaint, Masson. Physique des diélectriques, J-C. Peuzin et D. Gignoux, EDP Sciences.

Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier - Février - Mars - Avril - Mai.

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