Propagation des rayonnements électromagnétiques
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Une onde électromagnétique, comme la lumière ou les micro-ondes des téléphones est une onde qui peut se déplacer dans le vide (contrairement au son par exemple), sur des distances gigantesques sur tout notre univers à la vitesse de 299 792,458 km/s.
Aujourd'hui, suite à 2 siècles de progrès technologiques très rapides, les ondes électromagnétiques sont partout : elles sont responsables de nombreux phénomènes divers suivant leurs fréquences et leur mode d'utilisation, comme la lumière, les télécommunications, la détection radar et certains types de radioactivité : les rayons gamma.
Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?[modifier | modifier le wikicode]
Différence avec les ondes mécaniques[modifier | modifier le wikicode]
Il existe trois grands types d’ondes en physique : l’onde mécanique ou sonore l’onde électromagnétique et très récemment les ondes gravitationnelles très difficiles à détecter, sans parler des ondes de particules en mécanique quantique, comme celles des électrons utilisées dans les microscopes électroniques.
Une onde mécanique est le déplacement d’une perturbation mécanique (secousse, vibration, etc.) dans la matière. Des exemples bien connus d’ondes mécaniques sont :
- le son ;
- les tremblements de terre ;
- les vagues.
Ces ondes mécaniques ne peuvent se déplacer (pour des ondes, on dit « se propager ») que dans de la matière : ici, de l’air, le sol, de l’eau, etc. C’est pour cela qu’il n’y a pas de son dans l’espace et que l’on n’entend pas un téléphone portable sonner sous une cloche à vide !
Les ondes électromagnétiques, comme les gravitationnelles, elles, peuvent se déplacer dans le vide : c’est ainsi que l’on reçoit sur Terre la lumière du Soleil et que les astronautes en mission dans l’espace peuvent communiquer avec la Terre. Évidemment, elles se propagent aussi dans la matière : par exemple, on aperçoit bien le soleil à travers une vitre.
Nature des ondes électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]
Toutes les ondes sont des déplacements d’énergie ; cependant, la différence fondamentale entre ondes électromagnétiques et mécaniques est le type de déplacement adopté par cette énergie. Les ondes mécaniques mettent en mouvement leur support (les vagues agitent le liquide, les tremblements de terre secouent le sol) et l’énergie est transmise par ce mouvement.
Ce n’est pas le cas des ondes électromagnétiques : elles n’utilisent pas mécaniquement pour se propager leur environnement. Cela signifie que le support des ondes électromagnétiques n’est pas la matière : c’est grâce à cela qu’elles se déplacent aussi dans le vide, là où il n’y a pas de matière.
Alors, que font-elles « vibrer » pour se déplacer et mériter le nom d’ondes ?
Cette question fondamentale du support des ondes lumineuses appelé ether, mystérieux, a occupé les scientifiques entre 1865 et 1905, car impossible à trouver et à caractériser comme similaire aux corps où les sons se propagent. C'était tellement étrange qu'il a fallu 40 ans pour y découvrir la relativité cachée, structure de notre espace temps, étrange mais fondamentale, que seul Einstein a su voir en premier, dans les équations en 1865 de Maxwell.
Il existe en physique des champs : chaque point de l’espace possède une propriété qu'on observe avec une force exercée à longue distance et une énergie potentielle ou champ, comme la gravitation (Newton en 1685), électrique (Coulomb 1780 avec champ électrique sur les charges électriques) et magnétique (Oersted 1820, Faraday 1830, champ magnétique sur les courants électriques et charges électriques en mouvement ), Le champ détermine les forces. selon les équations de Maxwell.
Par exemple, le champ de pesanteur terrestre est l’ensemble de l’espace où la Terre exerce une influence gravitationnelle : chaque point de cet espace est attiré par la force de pesanteur produite par la Terre.
On peut définir de tels champs pour toutes les forces qui agissent à distance, et notamment les forces de type électromagnétique comme le magnétisme : on aura par exemple un champ magnétique tout autour d’un aimant, parce que chaque point de l’espace est soumis à la force produite par cet aimant. Lorsque l’on s’intéresse aux champs électrique et magnétique en même temps, on parle de champ électromagnétique.
Une onde électromagnétique est une vibration de ce champ électromagnétique. Un champ n’est pas quelque chose de matériel comme un objet, mais mesurable néanmoins, donc on ne peut pas vraiment comparer la propagation électromagnétique à une propagation mécanique (comme des vagues) sur ou dans un milieu connu, la propagation a lieu dans le vide suivant les propriétés de notre espace temps relativiste.
Il y a pourtant propagation parce que la modification de la valeur du champ électrique en un point entraîne celle du champ magnétique associé autour de ce point, et cette modification du champ magnétique entraîne à son tour une modification du champ électrique tout autour, etc., selon les équations de Maxwell.
Les équations de Maxwell depuis 1865 décrivent ces processus basés sur les lois d'induction et électromagnétiques établies par Faraday et Oersted entre 1820 et 1830 qui ne sont comprises qu'avec la relativité établie en 1905 par Einstein, avec l'éther, milieu de propagation imaginé par analogie avec les sons, impossible à trouver expérimentalement à cause de la relativité, car la vitesse de la lumière reste inchangée quelque soit notre vitesse de déplacement, réalité relativiste étrange prouvée à chaque instant par le GPS servant à localiser nos téléphones portables.
Un courant électrique crée un champ magnétique (Oersted) et ce champ magnétique variable induit un champ électrique (Faraday). Ce processus existe même sans onde, comme dans les moteurs et générateurs électriques. Ce processus, à priori assez étrange, est relativiste et décrit dans la mécanique quantique avec les photons, à la fois ondes et particules.
On peut considérer que l’onde électromagnétique, en modifiant la valeur des champs électrique et magnétique, « crée » en quelque sorte son support : en effet, même s’il n’existait pas, par exemple, de champ magnétique à un endroit, l’arrivée d’une onde électromagnétique va en créer un, à cause de la variation du champ électrique. Finalement, les champs électrique et magnétique « vibrent » (changent de valeur alternativement puis reviennent à leur valeur de départ) ensemble et l’énergie utilisée pour créer la première variation du champ électromagnétique est transportée à chaque variation successive.
Une onde électromagnétique est donc la propagation d’un signal (les variations) grâce à un champ électrique et un champ magnétique qui vibrent ensemble, à angle droit et transverses à leur sens de propagation. Cette propagation se fait sur des distances quasi infinies, avec de la lumière arrivant depuis les confins de notre univers, vieille de plus de 13 milliards d'années née dans les premières étoiles que le télescope James Webb découvre.
Histoire[modifier | modifier le wikicode]
Avant le XXe siècle, les physiciens étaient partagés sur la nature des ondes électromagnétiques ; plus précisément, ils n’arrivaient pas à répondre à la question suivante : « la lumière est-elle une onde ou un flot de particules ? ». En effet, certaines expériences montraient qu’elle se comportait comme une onde tandis que d’autres laissaient entendre qu’elle se comportait comme un courant de particules.
Pour distinguer ces deux aspects, on parle de « nature ondulatoire 
» ou « corpusculaire » de la lumière.
Vers 1680 Newton pensait que la lumière était faite de particules cachées, car elle allait en ligne droite.
Mais d'autres contemporains pensaient comme Fermat que la lumière choisissait le plus court chemin avec son principe du plus court chemin qui explique les indices de réflexions basés sur la vitesse de la lumière et qui est expliqué par les interférences. Ce principe de Fermat en avance de 300 ans a servi pour la mécanique quantique avec le principe de moindre action de Feynman.
Nature ondulatoire[modifier | modifier le wikicode]
Mais, au tout début du XIXe siècle (1801), Thomas Young et Fresnel ont réalisé de célèbres expériences d'interférence, appelée expérience des fentes de Young. Elle montre que, quand on éclaire un écran avec deux rayons d’une lumière qui proviennent de la même lampe, on n’éclaire pas cet écran de façon uniforme, mais on produit une alternance de rayures lumineuses et sombres. Cela s’explique si l’on considère la lumière comme une onde, car c’est un phénomène, très connu avec les ondes acoustiques, ou des vagues, qui s’appelle interférences, avec des maximums et des minimums.
Les oscillations des ondes avec des chemins légèrement différents s'additionnent, si en phase avec un maximum, mais ailleurs en opposition de phase elles s'annulent avec un minimum. Pour le chemin optimum extremum ou le plus court on a un maximum.
Les équations qui décrivent la plupart des propriétés ondulatoires des ondes électromagnétiques ont été découvertes dans la deuxième moitié du XIXe siècle par James Clerk Maxwell, qui a réuni les travaux de tous les physiciens sur des sujets différents, tous en rapport avec les ondes électromagnétiques : électricité, magnétisme, rayonnement . Le résultat consiste en quatre équations, appelées équations de Maxwell en 1865. Ces équations contiennent cachées la vitesse de la lumière, vitesse constatée par Maxwell, de fait c'est un effet relativiste compris par Einstein en 1905.
Nature corpusculaire[modifier | modifier le wikicode]
D'un autre côté, d’autres expériences ont montré que la lumière ne pouvait pas être une onde dans un milieu appelé éther bien défini et observable (plus exactement, une onde acoustique ; mais on ne connaissait que les ondes mécaniques et acoustiques à l’époque). En effet, si la lumière était une onde acoustique, il fallait forcément une matière pour lui permettre de se propager, même dans l’espace ou dans les cloches à vide : les physiciens en avaient donc déduit qu’il existait un fluide, l’éther, qui remplissait tout l’espace et conduisait la lumière. Cependant, l’expérience de Michelson-Morley a montré que ce fluide n’existait pas, impossible à détecter, ce qui a obligé à approfondir les propriétés des équations de Maxwell, études pendant 40 ans, qui ont conduit à la relativité.
En réalité, la lumière peut se comporter comme une onde ; c’est juste qu’elle n’a pas besoin d’éther pour se propager, à cause de la relativité, et ensuite à cause de la mécanique quantique ou toutes les ondes de particules n'ont aucun éther (électrons, atomes, protons, etc..). L'éther est remplacé de fait par tout notre espace temps relativiste avec la mécanique quantique, très étrange par rapport à notre vie de tous les jours.
Physique moderne[modifier | modifier le wikicode]
Un peu plus tard, au début du XXe siècle, Albert Einstein a unifié les travaux de Maxwell et de Max Planck et en a déduit que la lumière (et les autres ondes électromagnétiques) étaient un déplacement de particules photons qui pouvait se comporter comme une onde selon les méthodes de mesures. Ces particules ont ensuite été nommées photons, du grec photos (φωτός) signifiant « lumière ».
Les photons sont partout dans la physique moderne, notamment en mécanique quantique (qui étudie les particules). Leur découverte a en particulier permis l’invention du laser, phénomène quantique d'émission stimulée d'onde cohérente.
Caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]
Une onde se décrit par deux choses : sa fréquence et son amplitude.
Fréquence[modifier | modifier le wikicode]
En sciences, la fréquence d'un phénomène est le nombre de fois que ce phénomène se répète en un temps donné.
L'unité de fréquence en physique est le hertz1, qui représente le nombre de « crêtes » de l'onde passant en un endroit donné en une seconde. On utilise la seconde car c'est la mesure du temps du système international d'unités.
Les ondes électromagnétiques ont des fréquences biens plus élevées que celles du son : les ondes radio (comme les émettent les stations de radio) ont une fréquence minimale (GO) de 300 000 hertz 2, alors que ce sont les ondes électromagnétiques avec la fréquence la plus petite ! Une radio FM donne son adresse en donnant sa fréquence, par exemple 101.1 mégahertz (un mégahertz est un million de hertz)
La fréquence (donc l'espace entre les crêtes) est une information très importante pour une onde : en effet, par la relation de Planck (en 1900) plus la fréquence d'une onde est élevée, plus cette onde possède d'énergie.
Longueur d'onde[modifier | modifier le wikicode]
Dans le cas des ondes électromagnétiques, on remplace souvent le chiffre de la fréquence par celui de la longueur d'onde. En effet, comme la vitesse de propagation (ou célérité) des ondes électromagnétiques est toujours la même dans le vide, il y a une correspondance directe entre la longueur d'onde et la fréquence : quand on connaît la longueur d'onde, il est très facile de connaître la fréquence.
Historiquement, les physiciens raisonnent aussi beaucoup en longueur d'onde : c'est une fréquence spatiale. Au lieu de mesurer le nombre de fois que le motif se répète par seconde, on mesure la distance parcourue par un motif.
C'est de là que vient le mot micro-onde, qui font fonctionner certains fours : ils utilisent des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est de l'ordre de quelques centimètres, micro par rapport aux premières ondes radio avec des longueurs d'ondes autour du km (grandes ondes GO dans les années 1930 à 1950, la longueur d'onde était de 300m à 1 méga Hertz ou 1 million d'oscillations par seconde, 0,3m à 1 Giga, 1milliard par seconde et 12,5 cm à 2,4 Giga Hertz fréquence typique de four micro-onde ) .
La lumière visible est avec des longueurs d'ondes d'environ un demi micron, avec une énergie de photons proches de l'électron volt (eV).
Les rayons X ont des longueurs d'ondes 1000 fois plus faibles, 10nm, énergie dans la gamme 1000eV ou 1 KeV.
Les rayons gamma de la radioactivité de noyaux atomiques sont environ un million de fois plus énergétiques Mev, photons qui cassent tout, et longueurs d'ondes aussi petites en dessous de la dimension d'un atome.
Il existe des rayons cosmiques gamma ondes électromagnétiques avec des énergies très supérieures, incroyables.
Cohérence[modifier | modifier le wikicode]
En plus les ondes émises sont plus ou moins cohérentes, avec des phases d'oscillation stables, capables de transmettre des signaux comme pour les téléphones portables ou incohérents, avec des phases au hasard comme lorsqu'elles sont émises par un très grand nombre de molécules par agitation thermique, incohérentes, et donc il est impossible de transmettre beaucoup de signaux utiles avec ces ondes incohérentes.
Une lampe thermique (filament très chaud) émet une onde qui ne peut transmettre quasiment aucun signal, à part couper ou allumer la lampe, déjà utile dans les années 1800.
Un laser émet une lumière ou infra rouge cohérente, un téléphone portable émet des microondes cohérentes, capables de transmettre un quantité de signaux gigantesque, en contrôlant finement la phase et l'amplitude de ces oscillations, .
Tous les énormes progrès de la technologie actuelle, transistors, électronique, lasers, ont servi à rendre cohérentes et utiles les ondes électromagnétiques dans toutes les gammes de fréquences, même des lasers à rayons X militaires.
Autres caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]
Les ondes électromagnétiques sont les ondes du photon décrit par la mécanique quantique en accord avec un très grand nombre d'expériences répétées sans cesse, des particules extrêmement petites, mais délocalisés dans leur onde sur des distances immenses selon la mécanique quantique, de masse nulle, car la portée des ondes est infinie au moins sur la dimension de tout notre univers. Ces photons de masse nulle ne peuvent se déplacer qu'à une vitesse très rapide : la vitesse de la lumière dans le vide. Dans les corps transparents la vitesse de la lumière est réduite, dans le rapport des indices optiques.
Diverses « formes » d'ondes électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]
Il existe des types d’ondes électromagnétiques très différents : leur fréquence, leur création, leurs effets, etc., ne se ressemblent pas toujours !
On sait de quel type est une onde électromagnétique en connaissant seulement sa fréquence ou sa longueur d’onde3. Le spectre électromagnétique a été découpé en plusieurs morceaux, et chacun d’entre eux correspond à un type d’onde particulier.
Ondes radio[modifier | modifier le wikicode]
Les ondes radio sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde dépasse 1 mm. Cette longueur d'onde peut être très grande (plusieurs kilomètres).
Comme leur nom l’indique, ces ondes ont tout d'abord été sont utilisées par les stations de radio pour diffuser, par exemple, de la musique.
Elles sont réfléchies par le sol et l’eau et certaines d'entre elles, surtout dans les grandes longueurs d'ondes, sont aussi réfléchies par les couches hautes de l’atmosphère (ionosphère) comme par un miroir, surtout la nuit, ce qui permet de les faire parvenir à plusieurs milliers de kilomètres de leur point d’émission en leur faisant faire des « rebonds » entre le sol et l’ionosphère.
Elles sont également émises par certains objets célestes (étoiles, pulsars, etc.), et l’on a construit des radiotélescopes pour les capter et ainsi observer ces objets. Grâce aux ondes radio, on peut même étudier les premières époques de l’Univers car le rayonnement fossile (qu’il a émis lorsqu’il est devenu transparent il y a 13 milliards d'années) est lui aussi une onde radio, incohérente très uniforme dans toutes les directions.
Les ondes électromagnétiques ayant la fréquence la plus faible (moins de 0,3 GHz), c'est-à-dire que leur longueur d'onde est d'au moins un mètre sont aussi appelées ondes radiofréquences.
Les micro-ondes ou ondes hyper-fréquences sont des ondes radio dont la fréquence se situe très en dessous des rayons infrarouges (quelques Giga Hertz). Elles sont notamment utilisées dans les fours à micro-ondes (2,45 GHz), mais également par les téléphones portables, les radars, les communications avec les satellites artificiels, le Bluetooth et le Wi-Fi.
Térahertz[modifier | modifier le wikicode]
Térahertz est un terme assez récent pour désigner les ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 1 mm et 0,1 mm et la fréquence entre 300 GHz et 3 THz. Avant, cette gamme d'ondes électromagnétiques faisait partie des infrarouges.
Infrarouges[modifier | modifier le wikicode]
Les rayons infrarouges sont des ondes électromagnétiques de fréquence comprise entre 3 THz et 385 THz. Leur longueur d'onde dans le vide est comprise entre 0,1 mm et 780 nm. Ils portent ce nom car, sur l’échelle des fréquences du spectre électromagnétique, ils sont juste avant (« infra ») le rouge de la lumière visible.
À des températures pas trop élevées (moins de 1 000 °C), c'est le principal type de rayonnement qui est produit spontanément par la matière.
Les infrarouges véhiculent la chaleur, mais ils sont aussi utilisés par le télécommunications, notamment par fibre optique.
Lumière visible[modifier | modifier le wikicode]
La lumière visible est un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde dans le vide comprise entre 380 nm et 780 nm, soit des fréquences allant de 790 THz à 385 THz.
Elle se situe entre les infrarouges et les ultraviolets dans le spectre électromagnétique.
Dans le passé, on considérait que la lumière visible s'étendait de 400 nm (violet) à 700 nm (rouge) étant donné que l'œil humain est très peu sensible en dehors de cette gamme de longueur d'ondes (et même après 680 nm). Mais depuis, la commission internationale de l'éclairage a choisi de considérer comme visible des rayonnements électromagnétiques que l'œil ne perçoit que très faiblement lorsqu'ils sont intenses, ce qui a augmenté l'étendue des longueurs d'ondes considérées comme visibles.
Ultraviolets[modifier | modifier le wikicode]
Les rayons Ultraviolets sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide est comprise entre 380 nm et 10 nm. Ils portent ce nom car, sur l’échelle des fréquences du spectre électromagnétique, ils sont juste après (« ultra ») le violet de la lumière visible.
Ils sont responsables du bronzage, mais aussi des coups de soleil et peuvent être dangereux pour les yeux. Heureusement, l'atmosphère terrestre ne laisse passer que les ultraviolets de longueur d'onde proche de la lumière visible qui sont les moins dangereux.
Rayons X[modifier | modifier le wikicode]
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide est comprise entre 10 nm et 0,01 nm c'est à dire entre 10−8 m et 10−11 m.
Ils ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen. Ils ont la propriété, vu leur énergie relativement élevée, de traverser facilement les tissus mous (comme la peau ou les muscles). Les médecins les utilisent pour voir à l'intérieur du corps car ils sont, par exemple, davantage arrêtés par les os. Ils sont dangereux car très énergétiques, mais moins que les rayons gamma. On les utilise couramment pour faire des radiographies, ce qui veut dire qu'un être humain peut les tolérer à condition qu'ils ne dépassent pas une certaine dose.
Rayonnement γ[modifier | modifier le wikicode]
Les rayons γ sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide est inférieure à 10 pm soit 10−11 m. La radioactivité (désintégration d'atomes) produit des rayons gamma (notés avec la lettre grecque gamma : ).
Les rayons gamma sont les rayonnements électromagnétiques les plus énergétiques. Leur fréquence est si élevée (et donc leur énergie tellement grande) que les dégâts qu'ils provoquent sont très importants, et ils sont bien souvent mortels. On s'en sert pour stériliser certaines choses, y compris l'alimentation. Ils sont très pénétrants : il faut au moins une épaisseur d'un mètre de béton, dix centimètres de plomb ou 5-6 mètres d'eau pour se protéger des rayonnements gamma. Cela explique pourquoi il faut des protections aussi épaisses autour des réacteurs nucléaires.
Un diagramme pour résumer[modifier | modifier le wikicode]
Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]
Notes[modifier | modifier le wikicode]
- ↑ « Hertz », comme tous les noms qui se terminent en z, ne prend pas de s final au pluriel en français (un hertz ; deux hertz) ; sa terminaison ne varie pas, comme pour les noms qui se terminent en s au singulier (une souris ; deux souris).
- ↑ Tandis que les sons audibles ont une fréquence entre 20 Hz et 20 000 Hz !
- ↑ Longueur d’onde qui est proportionnelle à l’inverse de la fréquence ; cela n’est vrai que dans le vide et les milieux semblables, mais on donne généralement la longueur d’onde dans le vide, car la longueur d’onde dépend du milieu dans lequel l’onde se propage.
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Article mis en lumière la semaine du 03 décembre 2012, la semaine du 15 août 2022. |
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