Hollie Little Pink Laptop.jpg
Garçon devant un ordinateur.jpg

Le Livre d'or  • avoir tout Vikidia hors-connexion

Participez à améliorer Vikidia : Pilpay, L'Île au trésor, Sorgho, Chasseur-cueilleur, et 300 autres articles importants et trop courts à compléter. Vos contributions sont les bienvenues !

Rayonnement électromagnétique

Une page de Vikidia, l’encyclopédie junior
(Redirigé depuis Ondes electromagnétique)
Aller à la navigation Aller à la recherche
La lumière (ici, un laser) est un rayonnement électromagnétique.

Un rayonnement électromagnétique est composé d’énergie qui se déplace très très vite même en l'absence de matière. Ce nom a été inventé en pensant aux ondes radio qui sont composées d'un champ électrique et d'un champ magnétique qui se déplacent ensemble dans la même direction. Mais le type de rayonnement électromagnétique le plus connu est la lumière.

Différence avec les ondes mécaniques[modifier | modifier le wikicode]

Il existe d'autres types d'énergies qui se déplacent sans être des rayonnements électromagnétiques. Ce sont les ondes mécaniques.

Une onde mécanique est le déplacement d’une perturbation mécanique (secousse, vibration, etc.) dans la matière. Des exemples bien connus d’ondes mécaniques sont :

Une vague à la mer transporte de l'énergie qui peut être dangereuse pour les baigneurs si c'est une grosse vague. Mais elle a besoin de l'eau de mer pour se déplacer.

Un tremblement de terre est provoqué par des déplacements brusques de l'écorce terrestre. Il se propage sur de très longues distances dans le sol.

Un son est produit par la vibration d'un objet. Cette vibration est transmise à l’air et se propage dans toute les directions. L'eau et n'importe quelle autre matière peut aussi transmettre les sons, mais un son ne peut pas se propager dans le vide. En particulier, il n’y a pas de sons dans l’espace.

Au contraire, c'est dans le vide que les rayonnements électromagnétiques se déplacent le mieux et le plus vite. Si un rayonnement électromagnétique rencontre de la matière, dans le meilleur des cas, il est ralenti. Mais la matière peut aussi l'absorber en totalité ou en partie ou modifier son trajet.

Propriétés des rayonnements électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]

Propagation dans le vide[modifier | modifier le wikicode]

Dans le vide, un rayonnement électromagnétique se déplace toujours à la même vitesse : 299 792,458 km/s. Cette vitesse est bien connue comme étant la vitesse de la lumière.

Interaction avec la matière[modifier | modifier le wikicode]

Pour en savoir plus, lis l’article : Propagation des rayonnements électromagnétiques.

Lorsqu'un rayonnement électromagnétique rencontre de la matière, plusieurs cas peuvent se produire :

  1. Matière transparente : un atome commence par absorber le rayonnement électromagnétique qu'il reçoit. Puis il renvoie un autre rayonnement électromagnétique semblable au premier. Ce deuxième rayonnement électromagnétique continue le trajet qu'aurait fait le premier s'il n'avait pas rencontré l'atome sur son chemin. Toutefois, il s'est écoulé un temps très court entre le moment où l'atome a absorbé le rayonnement électromagnétique et celui où il renvoie celui qui le remplace. De ce fait, lorsqu'un rayonnement électromagnétique (par exemple de la lumière) traverse de la matière, sa vitesse moyenne est inférieure à celle qu'elle aurait été dans le vide.
  2. Réflexion : lorsque le rayonnement électromagnétique rencontre de la matière, il est renvoyé. Deux cas peuvent se produire :
    1. les divers rayonnements électromagnétiques reçus sont renvoyés dans toutes les directions. C'est le cas de la plupart des matières qu'on éclaire avec de la lumière et qu'on peut voir depuis n'importe quel endroit lorsqu'il n'y a pas d'obstacle entre cette matière et nos yeux.
    2. les rayonnements électromagnétiques arrivent sur le bloc de matière selon un certain angle et sont renvoyés selon le même angle. C'est ce qui se passe avec de la lumière sur du métal, notamment avec un miroir dont la surface réfléchissante est métallisée.
  3. Absorption : La matière absorbe le rayonnement électromagnétique qu'elle reçoit. Toutefois, l'énergie du rayonnement électromagnétique absorbé n'est pas perdue. Elle réchauffe la matière qui l'a absorbé. Et plus tard, cette énergie sera renvoyée vers l'extérieur sous forme de rayonnement thermique.
  4. Phosphorescence : C'est un cas semblable au précédent. Un atome absorbe certains rayonnements électromagnétiques et en renverra d'autres plus tard. Mais cette fois-ci, les rayonnements renvoyés sont de la lumière visible.
  5. Fluorescence : Un atome reçoit un rayonnement électromagnétique d'une certaine fréquence et renvoie immédiatement d'autres rayonnements électromagnétiques de fréquence plus basse. Par exemple, les rayonnements électromagnétiques reçus sont des rayons X ou ultraviolets et le rayonnement renvoyé est de la lumière visible.

Bien souvent plusieurs interaction avec la matière se produisent en même temps. Par exemple, une partie d'un rayonnement électromagnétique est absorbée tandis que le reste est renvoyé. Ou alors, une partie traverse le bloc de matière et le reste est absorbé.

Fréquence, longueur d'onde et énergie[modifier | modifier le wikicode]

Fréquence[modifier | modifier le wikicode]

Une caractéristique très importante d'un rayonnement électromagnétique est sa fréquence. C'est à dire le nombre d'oscillations par seconde de ce rayonnement. Cette fréquence peut varier dans des proportions énormes.

Il serait possible et techniquement facile de fabriquer un rayonnement électromagnétique de fréquence très faible, par exemple une oscillation par jour. Mais un tel rayonnement serait inutile.

La fréquence la plus basse de rayonnement électromagnétique qu'on rencontre couramment sur Terre depuis qu'on fabrique de l'électricité et qu'on la transporte sur de longues distances est de 50 Hz (50 oscillations par seconde) en Europe et 60 Hz en amérique du Nord. C'est la fréquence du [[courant alternatif]) qui circule sur les lignes électriques.

Mais les fréquences les plus basses utilisées pour les ondes radio se chiffrent en dizaines de milliers d'oscillations par seconde et de plus en plus on utilise des ondes radio dont la fréquence se chiffre en centaines de millions ou en milliards d'oscillations par seconde.

La fréquence de la lumière visible varie officiellement entre 385 000 000 000 000 et 790 000 000 000 000 oscillations par seconde (mais l'œil est très peu sensible à certaines fréquences et il faut compter 460 000 000 000 000 Hz pour un rouge bien visible et 750 000 000 000 000 Hz pour du violet bien visible aussi).

Toutefois les fréquences les plus élevées de rayonnement électromagnétique émises par les étoiles ou dans certaines réactions nucléaires peuvent dépasser les 100 000 000 000 000 000 000 000 Hz.

Longueur d'onde[modifier | modifier le wikicode]

Comme la fréquence des rayonnements électromagnétiques est souvent très très grande, il est plus fréquent d'indiquer leur longueur d'onde dans le vide.

Comme indiqué plus haut, la vitesse de propagation des rayonnements électromagnétiques dans le vide est toujours la même. En particulier, elle ne dépend pas de leur fréquence. On peut donc très facilement calculer cette longueur d'onde notée λ (lambda) à partir de la fréquence notée F.

Dans cette formule, la longueur d'onde est exprimée en mètres, la fréquence en Hertz (oscillations par seconde) et la valeur c est la vitesse de la lumière dans la vide, soit 299 792 458 m/s.

Lorsqu'un rayonnement électromagnétique traverse de la matière, il va moins vite, et donc, pour une même fréquence, sa longueur d'onde devient plus courte. Mais la variation est très faible pour l'air dans le cas de la lumière visible (un peu moins de −0,03 %) et encore plus petite pour de plus grandes longueurs d'onde.

Historiquement, les physiciens raisonnent beaucoup en longueur d'onde. Pour les ondes radio les plus longues, la longueur d'onde se mesure en kilomètres. Mais pour la lumière visible, la fréquence est si élevée qu'on la compte en centaines de nanomètres (milliardième de mètre) et d'autres rayonnements électromagnétiques ont des longueurs d'onde très inférieures au nanomètre.

Énergie[modifier | modifier le wikicode]

Plus la fréquence d'un rayonnement électromagnétique est élevée, plus il possède d'énergie. Si les ondes radio peuvent être détectées par une bobine d'induction, elles agissent très peu sur la matière. Au contraire, la lumière visible transporte suffisamment d'énergie pour favoriser certaines réactions chimiques. Quant aux rayons gamma issus notamment des centrales nucléaires, ils transportent des quantités d'énergie énormes qui endommagent fortement la matière.

Aussi, pour indiquer l'énergie d'un photon (une particule qui transporte un rayonnement électromagnétique), on utilise une unité : l'électron volt.

Si la longueur d'onde est exprimée en nanomètres (milliardièmes de mètre), l'énergie E en électron volt se calcule selon la formule suivante :

Il se trouve que la valeur trouvée est aussi la tension électrique nécessaire pour alimenter une diode LED pour qu'elle émette de la lumière de longueur d'onde \lambda soit entre 2 et 3 volt pour la plupart des couleurs de la lumière visible.

Si on préfère calculer l'énergie à partir de la fréquence, on peut utiliser la formule :

avec la fréquence F exprimée en TéraHertz (1 THz = 1012 Hertz = 1 000 000 000 000 Hertz).

C'est surtout pour rayonnements électromagnétiques les plus énergétiques (rayons gamma et rayons cosmiques) qu'on utilise l'électron-volt et ses multiples. Certains rayons gamma et rayons cosmiques ont des énergies dépassant le milliard d'électrons volt.

Diverses « formes » de rayonnements électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]

Il existe des types de rayonnements électromagnétiques très différents : leur fréquence, leur création, leurs effets, etc., ne se ressemblent pas toujours !

On sait de quel type est un rayonnement 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 de rayonnement particulier.

Le spectre électromagnétique, les différents types de rayonnements électromagnétiques et leur utilisation.

Ondes radio[modifier | modifier le wikicode]

Pour en savoir plus, lis l’article : onde radio.
Un radiotélescope du Centre Toruń pour l’astronomie, haut de 32 mètres et situé en Pologne.

Les ondes radio sont des rayonnements électromagnétiques dont la longueur d'onde dépasse 1 mm, ce qui fait que leur fréquence est inférieure à 300 GHz (300 000 000 000 Hz).

On distingue les ondes radiofréquences dont la longueur d'onde est d'au moins un mètre et la fréquence inférieure à 300 MHz et les hyperfréquences dont la longueur d'onde est comprise entre 1 m et 1 mm et la fréquence entre 300 MHz et 300 GHz

Comme leur nom l’indique, les radiofréquences sont des ondes radio utilisées entre autres par les stations de radio pour diffuser, par exemple, de la musique. Mais elles servent aussi à beaucoup d'autres moyens de télécommunication.

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

Toutefois, la télévision, les téléphones portables, les radars, les communications avec les satellites artificiels, le Bluetooth et le Wi-Fi utilisent des ondes radio dans la gamme des hyperfréquences.

Des ondes radio 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 il y a 13 milliards d'années) est lui aussi composé d'ondes radio.

Térahertz[modifier | modifier le wikicode]

Térahertz est un terme assez récent pour désigner les rayonnements 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 de rayonnements électromagnétiques faisait partie des infrarouges.

Infrarouges[modifier | modifier le wikicode]

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

Les rayons infrarouges sont des rayonnements 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.

Pour en savoir plus, lis l’article : Rayonnement thermique.

Les infrarouges véhiculent la chaleur, mais ils sont aussi utilisés par les télécommunications, notamment par fibre optique.

Lumière visible[modifier | modifier le wikicode]

Pour en savoir plus, lis l’article : Lumière visible.
Un arc-en-ciel et la lumière du soleil.

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 de rayonnements considérées comme visibles.

Ultraviolets[modifier | modifier le wikicode]

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

Les rayons Ultraviolets sont des rayonnements 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]

Pour en savoir plus, lis l’article : Rayons X.

Les rayons X sont des rayonnements 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 élevée, de traverser facilement les tissus mous du corps humain (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]

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

Les rayons γ sont des rayonnements 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 : ).

Ce 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]

Le spectre électromagnétique, les différents types de rayonnements électromagnétiques et leur utilisation.

Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]

Références[modifier | modifier le wikicode]


Article mis en lumière la semaine du 03 décembre 2012, la semaine du 15 août 2022.
Portail des sciences — Tous les articles sur la physique, la chimie et les grands scientifiques.