L’Onde Électromagnétique
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L’Onde Électromagnétique
Fondements• émission
• propagation
• interaction
Armel Boutard
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)
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
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
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.
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
Les émetteurs anthropiques Les émetteurs anthropiques
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)
L’onde électromagnétique
Variations temporelles et spatiales des champs magnétique et électrique d’une onde électromagnétique
Énergie associée
I E², B²Moitiée pour chaque
composante
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.
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
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
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
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)
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
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
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
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
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
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
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VLF très basse fréquence very low frequency
phénomènes terrestres et atmosphériques