- Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?
- Caractéristiques d’une onde électromagnétique
- Les différentes sortes d’ondes électromagnétiques
- Propagation d’une onde électromagnétique dans le vide
- Propagation d’une onde électromagnétique dans la matière
- L’énergie d’une onde électromagnétique
- Emission et absorption d’une onde électromagnétique
- 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 spécialité 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 elles 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’où la relation λ= c.T mais on peut 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 miileux, 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 pour distinguer différentes sortes d’ondes.
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Longueur d’onde dans le vide |
Catégorie d’ondes électromagnétiques |
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1m – 100 000 km |
3 Hz – 300 Mhz 3 Hz – 3,00.108 Hz |
ondes radios |
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1 mm – 1m |
300 MHz- 300 GHz 3,00.108 Hz – 3,00.1011Hz |
Micro-ondes |
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780 nm – 1 mm 7,80.10-7 m – 10–3 m |
300 GHz – 385 THz 3,00.1011Hz – 3,85.1014Hz |
Infrarouges |
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380 nm – 780 nm 3,80.10-7m – 7,80.10-7m |
385 THz – 790 THz 3,85.1014Hz – 7,90.1014Hz |
Lumière visible |
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10 nm – 380 nm 10-8m – 3,8.10-7 m |
790 THz – 30 PHz 7,90.1014Hz – 3,0. 1016Hz |
Ultraviolets |
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10 pm – 10 nm 10-12 m -10-8m |
30 PHz – 30 Ehz 3,0. 1016Hz – 3,0. 1019Hz |
Rayons X |
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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 que soit leur fréquence elles s’y propagent à la même vitesse que la Lumière visible, à savoir avec 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 leur fréquence 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 paramètres physiques tels que la température, la pression, la densité…. Chaque milieu 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’énergie et donc d’émettre une onde électromagnétique
Le passage vers un niveau d’énergie plus élevé nécessite un gain d’énergie et donc l’absorption d’une onde électromagnétique.
Aspect corpusculaire
Les ondes électromagnétiques peuvent dans certaines conditions être considérées comme un flux de particules (de corpuscules) appelées photons. La notion de “photon” permet d’interpréter cette caractéristique de la Lumière et en particulier les échanges d’énergie qu’elle peut opérer avec la matière.