LOnde Électromagnétique Fondements émission propagation interaction Armel Boutard.

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L’Onde Électromagnétique Fondements émission propagation interaction Armel Boutard

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L’Onde Électromagnétique

Fondements• émission

• propagation

• interaction

Armel Boutard

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L’émission d’une onde électromagnétique (1)

• Une onde électromagnétique est générée par une charge (ou distribution de charges) en mouvement non uniforme vitesse (v) variable et donc accélération (a) non nulle a ≠ 0)

• Une charge fixe (v =0) génère un champ électrique, constant en un point, mais décroissant avec la distance ( 1/d²)

• Une charge en mouvement uniforme (v = cst) engendre un champ électrique et un champ magnétique, constants en un point, mais décroissant avec la distance ( 1/d²)

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L’émission d’une onde électromagnétique (2)

La matière, globalement neutre, est formée d’agrégats d’atomes qui peuvent être groupées en molécules ou distribués sous forme de réseaux de cohésion plus ou moins forte. Dans les étoiles, où règent les hautes tempétatures, la matière est sous la forme de plasma (particules chargées)

La matière est donc pleine de charges, électrons négatifs plus ou moins libres, noyaux positifs; la stabilité des ensembles est le résultat de divers équilibres évolutifs, tout étant sous l’influence de la force électromagnétique .. La force qui régit la stabilité de la matière sous toute ses formes et tous les processus biochimiques du vivant.

La matière un ensemble de charges

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L’émission d’une onde électromagnétique (3)

Tout système physique est naturellement agité avec une énergie E : E T,

ou T est la température du système

Conclusion: tout système physique émet une onde électromagnétique

agitation v ≠ 0

a ≠ 0

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Les émetteurs naturels (1)

Espace: T varie de 3K pour les nuages galactiques les plus froids (le rayonnement fossile du Big Bang est à 2,73K) à plus de 6 108 K pour le cœur des étoiles les plus chaudes (super géante rouge).

• L’espace est un émetteur d’ondes dans tout le spectre électromagnétique.

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Les émetteurs naturels (2)

atome

radiationsÉnergie du photon

visible qques eV

ultraviolet diz-cent. eV

rayons X cent. milliers eV

molécule infrarouge < eVchaleur

spectroscopie IR

lumière

usages

diagnostic ettraitements

noyau rayons gamma () qques MeVdiagnostic ettraitements

Attention danger

transition d’état dans un système physique

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Les émetteurs anthropiques Les émetteurs anthropiques

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La propagation

L’onde électromagnétique est caractérisée par une fréquence (ν), une longueur d’onde (), une vitesse de propagation ou célérité (la vitesse de la lumière c), telle que:

= c / ν,

on y associe une période T =1/ν

féquence ν (lettre grec «nu», f en électricité)

La fréquence est la valeur fondamentale, c et sont modifiées par la nature du milieu de propagation

Dans le vide c0 300 000 km/s (3 108 m/s)Dans le vide c0 300 000 km/s (3 108 m/s)

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L’onde électromagnétique

Variations temporelles et spatiales des champs magnétique et électrique d’une onde électromagnétique

Énergie associée

I E², B²Moitiée pour chaque

composante

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La variation de l’indice optique (n) avec le milieu et la fréquence

n = c0/c

Les ondes électromagnétiques ont la même vitesse de propagation (célérité) c0 dans le vide.

Cela n’est plus vrai dans les milieux de propagation matériels où elle varie :

• avec la nature du milieu• avec la fréquence (faiblement)

Les célérités différentes engendrent la dispersion des ondes réfractées.

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La variation faible de l’indice de réfraction optique (n) avec la fréquence

n = c0/cn

(μm)

visible

0,4 0,8

1,00028

1,00030

1,00034

1,00032

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La variation importante de l’indice de réfraction optique (n) avec le milieu

n = c0/c

milieux indice n

air

eau

verre

1,0003

1,3

1,5 à 1,8

Dans le cadre du formalisme de la physique contemporaine, aucun mobile de masse m ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide c0 (ni même l’approcher en réalité)

Est-il cependany possible pour une particule nucléaire de faible masse, d’être émise dans l’eau par exemple à une vitesse, inférieure à c0, mais supérieure à celle de la lumière dans ce milieu ( c~231 000 km/s)?

La réponse est oui.. C’est l’effet Cerenkov, du nom de son découvreur

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L’effet Cerenkov

Réacteur de l’institut Laué-Langevin

Toute particule chargée interagit avec le mileiu de propagation. Elle perturbe la polarisation des couches électroniques des atomes rencontrés. Pour v c1,cet effet est constructif, un front d’onde cohérent apparaît sous la forme d’un cône de lumière bleue-violacée dans la cas de l’eau

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Dualité onde - matière

La propagation de l’onde électromagnétique obéit au formalisme de la mécanique ondulatoire (propriétés d’une onde)

L’interaction avec la matière obéit au formalisme de la mécanique quantique, énergie associée à un photon (quanta d’énergie)

Postulat d’Einstein: La lumière (la bande visible du spectre électromagnétique) a, à la fois les propriétés d’une onde (propagation) et de particules (interaction avec la matière)

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Le photon, agent de l’interaction onde-matière

L’énergie associée à une onde électromagnétique est associée pour moitiée à chacune des composantes électrique et magnétique de l’onde.

Cependant l’interaction d’une onde avec la matière, n’est pas principalement liée à la quantité d’énergie totale (ou intensité)associée à l’onde mais est caractéristique de la fréquence (ν) de l’onde (montrée par Einstein).

En fait l’interaction se fait par transfert d’énergie; quanta d’énergie véhiculée par le photon, porteur de l’interaction électromagnétique, quantité définie comme E =hν; h étant la constante de Plank

L’intensité totale de la radiation: I = n hν, n étant le nombre de photons associés à la radiation électromagnétique

Énergie associée: I E², B² moitiée pour chaque composante

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L’effet photoélectriquehν

-ecollecteur

galvanomètre

tube à vide

ν0

Des radiations électromagnétiques (lumière solaire) incidentes sur une plaque photo-sensible génère un courant électrique (émission d’élecrons)

fréquence

Inte

nsité

du

cour

ant

Le courant apparaît pour une fréquence seuil ν0 et décroît rapidement, Il n’y aura pas d’émissions si v< v0 quelque soit l’intensité de l’onde.

L’excitation d’un corps pour une fréquence qui lui est propre correspond au phénomène de résonance

La fréquence seuil ν0 dépend de la nature du matériau utilisé et correspond aux états d’exitation (électroniques) du matériau

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Cas de l’atome

E1 E2 E5E4E3

électron libre Ec = Ephoton –E1

excitationdéexcitation

E1> E2 > E5E4 >E3 >

Ephoton> E1

visible

UV

R-X

radiations émises

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L’analyse spectroscopique

Ephoton

nom

bre

de

ph

oton

s d

étec

tés

E1-E2 E1-E3

Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon

L’élargissement du pic est dû à l’agitation naturelle des électrons et atomes ce qui introduit un élargissement des énergies des sous couches et une distribution des vitesses (et donc des énergies) des électrons autour de la valeur moyenne . Un bruit de fond «électronique» se superpose au spectre de raies

Bruit de fond

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La spectroscopie des éléments naturels: un outil puissant d’identificarion des éléments

et des corps de notre environnement

atome

Radiations absorbées ou émises (résonance)

visible

ultraviolet

rayons X

molécule infrarouge

noyau rayons gamma ()

Chaque système physique a un spectre de raies qui lui est propre

• Le spectre γ de 2 isotopes d’un noyau donné diffèrent (distribution différente des nucléons dans le noyau

• Le spectre R-X, UV ou visible, d’atomes distincts (nombre différent de protons et d’électrons) sont différents

• Le spectre IR de deux molécules distinctes (distribution différente d’atomes) sont différents

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Genre Bande de fréquence

Production anthropique

Production naturelle(Terre et Univers)

radiationsionisantes

R- accélérateurs, synchrotron, etc.

radioactivité (T), Univers

R-X tube R-X, radio isotope, très haut voltage

atomes (T), Univers

Ultraviolet étincelles, arcs,tubes fluorescents

atomes (T), Univers

radiationsnon

ionisantes

visible lampes de tous genres, atomes (T), éclairesSoleil, Étoiles

infrarouge réactions chimiques (chaleur) métabolisme

molécules(la Vie et l’espace)

micro-ondes klystrons (four, radar) espace

ondes radios UHF, VHF, radios espace

électricité (60 Hz)

lignes de distribution électrique

--

VLF très basse fréquence very low frequency

phénomènes terrestres et atmosphériques