Propagation des rayonnements électromagnétiques

Une onde électromagnétique est une onde qui peut se déplacer dans le vide (contrairement au son par exemple).

Aujourd'hui, les ondes électromagnétiques sont partout : elles sont responsables de nombreux phénomènes divers comme la lumière, les télécommunications, l’induction magnétique, la détection radar et certains types de radioactivité.

La lumière (ici, un laser) est une onde électromagnétique.

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

La chute d’une goutte dans un liquide produit des vaguelettes. Ces vaguelettes sont le déplacement mécanique de la perturbation qu’a causée la chute de la goutte dans le liquide, c’est donc une onde mécanique.

Différence avec les ondes mécaniques

Il existe deux grands types d’ondes en physique : l’onde mécanique et l’onde électromagnétique.

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, 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

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’interagissent pas mécaniquement avec 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 ?

On voit le champ magnétique produit par un aimant grâce aux minuscules morceaux de fer soumis à sa force magnétique : cela dessine des lignes qui vont du pôle nord au pôle sud de l’aimant. On parle d’ailleurs de lignes de champ.

Il existe en physique des champs : cela désigne une partie de l’espace dont chaque point possède une propriété que l’on étudie. 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, donc on ne peut pas vraiment comparer la propagation électromagnétique à une propagation mécanique (comme des vagues). 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. 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.

Histoire

L’expérience des fentes de Young montre que, comme la lumière se propage comme une onde, les « crêtes » de cette onde s’additionnent alors que les « crêtes » et les « creux » s’annulent, d’où la formation de raies lumineuses ou obscures.

Avant le XX^e 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.

Nature ondulatoire

Par exemple, au tout début du XIX^e siècle (1801), Thomas Young a réalisé une célèbre expérience, 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, qui s’appelle interférences.

Les équations qui décrivent la plupart des propriétés ondulatoires des ondes électromagnétiques ont été découvertes dans la deuxième moitié du XIX^e siècle par James Clerk Maxwell, qui a réuni les travaux de plusieurs physiciens sur des sujets différents mais tous en rapport avec les ondes électromagnétiques : électricité, magnétisme, rayonnement… Le résultat consiste en quatre équations, appelées équations de Maxwell.

Nature corpusculaire

D'un autre côté, d’autres expériences ont montré que la lumière ne pouvait pas être une onde (plus exactement, une onde acoustique ; mais on ne connaissait que les ondes 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, ce qui remettait en doute la nature ondulatoire de la lumière.

En réalité, la lumière peut se comporter comme une onde ; c’est juste qu’elle n’a pas besoin d’éther pour se propager, ni de quoi que ce soit d’autre.

Physique moderne

Un laser vert

Un peu plus tard, au début du XX^e 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 qui pouvait se comporter comme une onde selon les cas. 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.

Caractéristiques

Une onde se décrit par deux choses : sa fréquence et son amplitude.

Fréquence

Clique sur le schéma pour l’agrandir ! Il présente quelques grandeurs que l’on utilise pour parler d’un signal (une onde) en physique.

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 hertz, 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 de 300 000 hertz , 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, plus la fréquence d'une onde est élevée, plus cette onde possède d'énergie.

Longueur d'onde

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, 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 du micromètre.

Autres caractéristiques

Les ondes électromagnétiques sont considérées comme portées par le photon, des particules extrêmement petites, de masse nulle. Ces photons ne peuvent que se déplacer qu'à une vitesse très rapide : la vitesse de la lumière.

Diverses « formes » d'ondes électromagnétiques

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’onde. Le spectre électromagnétique  a été découpé en plusieurs morceaux, et chacun d’entre eux correspond à un type d’onde particulier.

Le spectre électromagnétique et les différents types d’ondes électromagnétiques. Clique pour agrandir !

Ondes radio

Un radiotélescope du Centre Toruń pour l’astronomie, haut de 32 mètres et situé en Pologne.

Les ondes radio, comme leur nom l’indique, sont utilisées par les stations de radio pour diffuser, par exemple, de la musique. Elles sont réfléchies par le sol et l’eau et, à certaines fréquences (quelques mégahertz), par les couches hautes de l’atmosphère (ionosphère) comme par un miroir, ce qui permet de les faire parvenir, sur Terre, très loin de leur point d’émission en leur faisant faire des « rebonds » entre le sol et l’ionosphère.

Pour en savoir plus, lis l’article : Radio.

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) est lui aussi une onde radio.

Pour en savoir plus, lis l’article : Télescope.

Ce sont les ondes électromagnétiques ayant la fréquence la plus faible (moins de 3 000 GHz). Cette fréquence reste cependant très supérieure, par exemple, à celle du son que les oreilles humaines peuvent entendre (moins de 20 kHz, c’est-à-dire 0,000 02 GHz) : 150 000 fois plus grande !

Les micro-ondes sont des ondes radio dont la fréquence se situe juste avant celle des rayons infrarouges. Elles sont notamment utilisées dans les fours à micro-ondes, mais également par les téléphones portables, les radars, les communications avec les satellites artificiels, le Bluetooth et le Wi-Fi.

Infrarouges

Image infrarouge d’un homme dans l’obscurité

Les rayons infrarouges sont des ondes électromagnétiques de fréquence plus élevées que celle des ondes radio : entre 300 GHz et 385 THz. Ils portent ce nom car, sur l’échelle des fréquences du spectre électromagnétique, ils sont juste avant (« infra ») le rouge de la lumière visible.

Vue en infrarouge de la Voie lactée par le télescope Spitzer de la NASA (fausses couleurs)

Ils sont utilisés dans de nombreuses applications :

• les détecteurs et lunettes à infrarouges, qui permettent de voir dans le noir ;
• le guidage des missiles sol-air ou air-air , qui se dirigent ainsi vers la source de chaleur que sont les réacteurs de la cible ;
• les communications à courte distance entre appareils, par exemple entre de vieux téléphones portables (remplacé par le Bluetooth) ou entre un appareil (comme une télévision) et sa télécommande ;
• la thermographie, qui permet par exemple de localiser les problèmes d’isolation thermique  d’une habitation ;
• les satellites météorologiques récupèrent le rayonnement infrarouge émis par les sols, les océans et les nuages pour en tirer des informations sur leur température, qui permet de prévoir l’évolution du temps ;
• il peut être intéressant d’analyser certains objets célestes par leur rayonnement infrarouge. Pour cela, on utilise des télescopes placés dans l’espace, sur des satellites artificiels, pour les protéger de l’infrarouge terrestre ;
• le chauffage : on trouve des lampes à infrarouge qui permettent de chauffer directement un endroit, plutôt que de réchauffer l’air ambiant par conducto-convection (comme le font la plupart des chauffages domestiques). Ce type de chauffage est donc plus rapidement ressenti, mais cesse pratiquement dès que la lampe s’éteint (car ce sont les rayons qui chauffent, et non l’air ambiant).

L’infrarouge et la chaleur :

Comme on le voit dans ces applications, le rayonnement infrarouge correspond souvent à de la chaleur ; cependant, il ne faut pas croire que la chaleur est le rayonnement infrarouge !

En réalité, toutes les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie et cette énergie peut toujours prendre la forme de chaleur. Simplement, sur Terre et aux températures habituelles (entre 0 et 100 °C), les corps émettent naturellement dans l’infrarouge plutôt que dans un autre type d’onde. On observe que, quand on chauffe de plus en plus fort un morceau de métal, celui-ci ne change d’abord pas d’aspect, puis s’éclaire en rouge, en jaune, puis en blanc (il est incandescent) ; c’est parce qu’on lui donne de plus en plus d’énergie en le chauffant mais, comme il n’utilise pas cette énergie, il doit la « rendre ». Pour cela, il émet une onde électromagnétique qui prend la forme de chaleur (le métal est brûlant, il ne faut pas le toucher) mais aussi de lumière visible (le rougissement). En effet, nous savons que plus une onde a une fréquence élevée, plus elle transporte d’énergie : émettre de la lumière visible est, pour le morceau de métal, le moyen de libérer davantage d’énergie qu’en émettant seulement des rayons infrarouges.

Si nous vivions sur une planète beaucoup, beaucoup plus chaude, peut-être serions-nous habitués à voir les objets briller comme notre métal incandescent et nous penserions alors que la chaleur se transmet par la lumière visible plutôt que par l’infrarouge !

Lumière visible

Un arc-en-ciel et la lumière du soleil.

Toute la gamme de lumière que l’œil humain peut voir (c’est-à-dire les couleurs de l’arc-en-ciel) est appelée lumière visible. Elle s’étend donc du rouge au violet, soit environ :

• de 800 nanomètres (rouge) à 400 nm (violet) en longueur d’onde dans le vide ;
• de 375 térahertz (rouge) à 750 THz (violet) en fréquence ;
• entre les infrarouges et les ultraviolets dans le spectre électromagnétique.

Les radiations de la lumière visible sont donc utilisées pour l’éclairage (les lampes) et l’affichage (par exemple, l’écran de l’ordinateur et de la télévision émettent dans le visible), mais également :

• pour les communications, avec par exemple les feux de signalisation, les fibres optiques et, parfois, le code Morse (comme entre deux bateaux non reliés) ;
• pour le repérage (principe du guidage laser) : pour des frappes militaires de grande précision, on illumine un point de la cible avec un laser et le missile est « guidé » par ce point, c’est-à-dire qu’il est programmé pour se diriger vers la radiation particulière du laser (qu’il perçoit sur la cible par réflexion).

Ultraviolets

Le bronzage est généralement dû à une longue exposition de la peau au Soleil. En effet, celui-ci émet, en plus de la lumière visible et de l'infrarouge, du rayonnement ultraviolet (étymologiquement au-dessus du violet). Ce rayonnement, comme les rayonnements de fréquences plus élevées, est nocif pour la peau car son énergie est suffisamment élevée pour détruire certains composants du corps comme l'ADN, ce qui peut provoquer des cancers. Mais, heureusement, le corps humain est capable de réparer l'ADN endommagé, cependant pas toujours.

		Le savais-tu ?
	L'autobronzant
Pour se protéger des ultraviolets du Soleil, la peau fabrique une protéine, la mélanine. C'est elle qui donne sa couleur plus ou moins brune à la peau ; elle agit comme un filtre à UV . Cependant, elle n'est pas produite en quantité suffisante dès l'exposition au Soleil, c'est pourquoi il est fortement conseillé d'utiliser de la crème solaire, qui agit également comme un filtre. L'autobronzant est un produit du commerce, semblable à une huile, qui permet à la peau de prendre rapidement une teinte cuivrée même en l'absence de Soleil. Cependant, ce n'est pas une crème solaire ! Il ne protège donc pas des coups de soleil. De même, il n'émet pas d'UV : il agit en faisant « rouiller » les cellules mortes de la peau.

Rayons X

Les rayons X 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.

Rayonnement γ

La radioactivité (désintégration d'atomes), quant à elle, s'accompagne de différents types de rayonnements, tous extrêmement nocifs : les plus énergétiques étant les rayons gamma (notés avec la lettre grecque gamma : $\gamma$). Leur fréquence est si élevée (et donc leur énergie tellement grande) que leurs dégâts sont très importants. On s'en sert pour stériliser certaines choses.

Voir aussi

• Impulsion électromagnétique

Notes

Article mis en lumière la semaine du 03 décembre 2012.

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