Les ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques

  1. Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?
  2. Caractéristiques d’une onde électromagnétique
  3. Les différentes sortes d’ondes électromagnétiques
  4. Propagation d’une onde électromagnétique dans le vide
  5. Propagation d’une onde électromagnétique dans la matière
  6. L’énergie d’une onde électromagnétique
  7. Emission et absorption d’une onde électromagnétique
  8. Aspect corpusculaire

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

Définition: une onde électromagnétique est une onde périodique qui propage des variations de champ magnétique et de champ électrique.

Remarque

La notion de « champ » est abordée seulement en classe de première S mais on peut limiter ici à admettre que que les champs électriques et magnétiques sont des propriétés physique de l’espace en relation avec les interactions électriques et magnétiques.

Il ne s’agit pas d’une onde mécanique, ce type d’onde n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager (elles peuvent traverser les espaces interplanétaires, interstellaires et intergalactiques)

Caractéristiques d’une onde électromagnétique

Comme toutes les ondes périodiques elle est caractérisée par:

  • sa période T (peu utilisée)
  • sa fréquence ν
  • sa longueur d’onde λ
  • son amplitude (préfère utiliser la notion d’intensité lumineuse I)
  • sa célérité c

Ces grandeurs sont liées entres par les relations usuelles:

  • La fréquence est l’inverse de la période: ν = 1 / T
  • La période est par conséquent l’inverse de la fréquence: T = 1/ν
  • La longueur d’onde est la distance sur laquelle se propage l’onde pendant la durée d’une période d’ou la relation λ= c.T mais on peur également l’exprimer en fonction de la fréquence λ= c/ν.

Les différentes sortes d’ondes électromagnétiques

Les propriétés des ondes électromagnétiques, leur perception, leurs interactions avec la matière, leur propagation dans les différents mileux, leurs applications pratiques, dépendent de la valeur de leur longueur d’onde (et donc aussi de sa fréquence et de sa période), ce qui a amené à définir différents intervalles de longueur d’onde à distinguer différentes sortes d’ondes.

Longueur d’onde dans le vide

Fréquence

Catégorie d’onde électromagnétiques

1m – 100 000 km

3 Hz – 300 Mhz

3 Hz – 3,00.108 Hz

Ondes radio

1 mm – 1m

300 MHz- 300 Ghz

3,00.108 Hz – 3,00.1011Hz

Micro-ondes

780 nm – 1 mm

7,80.10-7 m – 103 m

300 GHz – 385 THz

3,00.1011Hz – 3,85.1014Hz

Infrarouges

380 nm – 780 nm

3,80.10-7m – 7,80.10-7m

385 THz – 790 THz

3,85.1014Hz – 7,90.1014Hz

Lumière visible

10 nm – 380 nm

10-8m – 3,8.10-7 m

790 THz – 30 PHz

7,90.1014Hz – 3,0. 1016Hz

Ultraviolets

10 pm – 10 nm

10-12 m -10-8m

30 PHz – 30 Ehz

3,0. 1016Hz – 3,0. 1019Hz

Rayons X

λ < à 10 pm (10-11 m)

ν > 30 EHZ

ν > 3,0. 1019Hz

Rayons gamma

Propagation d’une onde électromagnétique dans le vide

Les ondes électromagnétiques n’ont pas besoin de support matériel pour exister et peuvent se propager dans le vide.

Quelle ue soit leur fréquence elles s’y propagent à la même vitesse que la lumière visible, à savoir une célérité:

c = 299 792 458 m/s

soit environ c = 3,00.108m/s ou 3,00.105 km/s

Propagation d’une onde électromagnétique dans la matière

Les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans certains milieux matériels et pas d’autre. suivant leurs fréquences une matière peut se montrer:

  • transparente (propagation possible)
  • opaque (pas propagation, les ondes sont totalement absorbées, diffusées ou réfléchies)

Dans un milieu transparent la célérité est variable, elle dépend de la nature chimique du milieu mais aussi de paramètre physiques tels que la température, la pression, la densité…. Chaque milieux transparent est caractérisé par son indice de réfraction « n » qui dépend parfois de la fréquence, et qui permet d’exprimer la célérité dans le milieu: cmilieu = cvide/n

L’énergie d’une onde électromagnétique

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques propagent de l’énergie, celle-ci dépend de la fréquence:

plus la fréquence est élevé et plus l’énergie propagée est grande

Etant donné que λ= c/ν plus la longueur d’onde est faible et plus l’énergie est élevé. Par conséquent les rayonnements les plus énergétiques du spectre électromagnétique sont les rayons gamma tandis que les moins énergétiques sont les ondes radio.

Au niveau du spectre visible on peut dire que les lumières violettes sont plus énergétique que les lumière rouges.

Emission et absorption d’une onde électromagnétique

L’émission ou l’absorption d’ondes électromagnétiques par la matière est possible lors de transition entre « niveaux d’énergie » différents:

Le passage vers un niveau d’énergie plus bas permet de libérer de l’energie et donc d’émettre une onde électromagnétique

Le passage ves un niveau d’énergie plus élevée nécessite un gain d’énergie et donc l’absorption d’une onde électromagnétique.

Aspect corpusculaire

Les ondes électromagnétiques peuvent dans certaines condition être considérées comme un flux de particules (de corpuscules) appelée photons. La notion de « photon » permet d’intrepréter cette caractéristiques de la lumière et en particulier les échangent d’énergie qu’elle oeut opérer avec la matière.

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