Les Ondes Électromagnétiques
Le spectre électromagnétique
Définition
Une onde électromagnétique est une perturbation qui se propage dans l'espace et qui est constituée de deux champs oscillants et indissociables : un champ électrique et un champ magnétique. Ces deux champs sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation de l'onde. Contrairement aux ondes mécaniques (comme le son), les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de milieu matériel pour se propager : elles voyagent même dans le vide. La lumière visible en est un exemple familier.
Concepts Clés
Le Spectre Électromagnétique
C'est l'ensemble de toutes les ondes électromagnétiques, classées selon leur fréquence f (ou leur longueur d'onde λ). Il va des ondes radio (longueurs d'onde très grandes, fréquences basses) aux rayons gamma (longueurs d'onde infinitésimales, fréquences extrêmement élevées). La lumière visible n'en occupe qu'une infime partie.
Les Familles d'Ondes
(Par ordre de fréquence croissante) :
- Ondes Radio : Radio, télévision
- Micro-ondes : Four, Wi-Fi, radars
- Infrarouge (IR) : Chaleur rayonnée, télécommandes
- Lumière Visible : Rouge à violet
- Ultraviolet (UV) : Bronzage, mais dangereux à haute dose
- Rayons X : Radiologie médicale
- Rayons Gamma : Radioactivité, astrophysique
Célérité dans le Vide
Toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la même vitesse dans le vide, notée c (pour "célérité"). c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s. C'est une constante fondamentale de la physique.
Énergie des Photons
Les ondes électromagnétiques peuvent être décrites comme un flux de particules appelées photons. L'énergie E d'un photon est proportionnelle à la fréquence f de l'onde : E = h × f, où h est la constante de Planck (h ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ J·s). Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie du photon est grande.
Formules et Équations Essentielles
La relation fondamentale entre la célérité c, la longueur d'onde λ et la fréquence f est :
Célérité dans le vide :
- • c : vitesse de la lumière dans le vide (m/s)
- • λ : longueur d'onde (m)
- • f : fréquence (Hz)
Énergie d'un photon :
- • E : énergie du photon (J)
- • h : constante de Planck ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ J·s
- • f : fréquence (Hz)
- • λ : longueur d'onde (m)
Exemples Concrets
1. La Radio FM
Une station émet à 102,3 MHz (soit 102,3 × 10⁶ Hz). On peut calculer la longueur d'onde : λ = c / f = 3×10⁸ / (102,3×10⁶) ≈ 2,93 m. Ce sont des ondes radio de plusieurs mètres de long.
2. La Vision
Nos yeux détectent les photons de la partie "visible" du spectre. Un photon de lumière rouge (λ ≈ 700 nm) est moins énergétique qu'un photon de lumière bleue (λ ≈ 450 nm), car sa fréquence est plus basse.
3. La Radiographie
Les rayons X ont une fréquence très élevée (donc une énergie photonique très grande). Cela leur permet de traverser les tissus mous du corps, mais d'être partiellement absorbés par les os plus denses, créant ainsi une image sur le film ou le capteur.
Expérience Illustrative
Mesure de la longueur d'onde d'un laser
Détermination de la longueur d'onde d'une lumière monochromatique
Matériel :
- Un laser (pointeur)
- Un réseau de diffraction (300 ou 600 traits/mm)
- Un écran
- Un mètre ruban
Protocole :
- Dans une pièce sombre, diriger le laser perpendiculairement vers le réseau de diffraction.
- Placer l'écran parallèlement au réseau, à une distance D (ex: 2,00 m).
- Observer sur l'écran la figure de diffraction : un point central brillant et, de part et d'autre, des points (taches) moins intenses appelés maxima d'ordre 1, 2...
- Mesurer précisément la distance a entre le maximum central et le maximum d'ordre 1.
Observation et Calcul :
La formule du réseau pour le premier ordre est : sin(θ) = λ / p, où p est le pas du réseau (l'inverse du nombre de traits par mètre). Pour les petits angles, sin(θ) ≈ tan(θ) = a / D.
En mesurant a, on calcule λ et on vérifie qu'elle correspond bien à la couleur du laser (par exemple, ~650 nm pour un laser rouge).
Points à Retenir
- Une onde électromagnétique est la combinaison d'un champ électrique et d'un champ magnétique oscillants et se propageant.
- Toutes les ondes EM voyagent à la même vitesse c dans le vide, mais forment un vaste spectre classé par fréquence/longueur d'onde.
- La relation fondamentale est c = λ × f. Fréquence et longueur d'onde sont inversement proportionnelles.
- L'énergie transportée est quantifiée en photons. Elle augmente avec la fréquence (E = hf). Les UV, rayons X et gamma sont donc les plus énergétiques et potentiellement dangereux.
- Ces ondes sont omniprésentes dans les technologies modernes : communication, imagerie médicale, chauffage, astronomie, etc.
