Ondes électromagnétiques: que sont-elles et comment elles sont produites (avec exemples)

Les ondes électromagnétiques (EM) sifflent autour de vous à tout moment, et leur étude représente un domaine crucial de la physique. Comprendre, classer et décrire les différentes formes de rayonnement électromagnétique a aidé la NASA et d'autres entités scientifiques poussent la technologie humaine dans et au-delà d'un territoire auparavant inexploré, souvent de manière dramatique façons. Pourtant, seule une infime fraction des ondes électromagnétiques est visible à l'œil humain.

En physique, une certaine quantité de mathématiques est inévitable. Mais ce qui est bien dans les sciences physiques, c'est que les mathématiques ont tendance à être logiquement « soignées », c'est-à-dire qu'une fois que vous êtes familiarisé avec les équations de base de la mécanique classique (c'est-à-dire généralement de gros objets visibles qui se déplacent), les équations de l'électromagnétisme semblent familières, juste avec différentes variables.

Pour mieux comprendre les champs et les ondes électromagnétiques, vous devez avoir une connaissance de base des équations de Maxwell, dérivées par James Clerk Maxwell dans la seconde moitié des années 1800. Ces équations, à partir desquelles la solution générale pour les ondes électromagnétiques est dérivée, décrivent la relation entre l'électricité et le magnétisme. À la fin, vous devriez également comprendre ce que signifie "être" une vague - comment

Les équations de Maxwell formalisent la relation entre l'électricité et le magnétisme et décrivent tous ces phénomènes. S'appuyant sur les travaux de physiciens tels que Carl Gauss, Michael Faraday et Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell a découvert que les équations produites par ces scientifiques reliant les champs électriques et magnétiques étaient fondamentalement solides, mais imparfait.

Si vous n'êtes pas familier avec le calcul, ne vous découragez pas. Vous pouvez très bien suivre sans rien résoudre. Rappelez-vous simplement que l'intégration n'est rien de plus qu'une forme intelligente pour trouver l'aire sous une courbe dans un graphique en additionnant des tranches incroyablement minuscules de cette courbe. De plus, bien que les variables et les termes ne signifient peut-être pas grand-chose au début, vous vous y référerez à plusieurs reprises tout au long de l'article au fur et à mesure que les "lumières" continuent de s'éclairer pour vous sur ce sujet vital.

​Première équation de Maxwelldérive deloi de Gausspour les champs électriques, qui stipule que le flux électrique net à travers une surface fermée (comme l'extérieur d'une sphère) est proportionnel à la charge à l'intérieur :

Ici, le triangle à l'envers ("nabla" ou "del") représente un opérateur de dégradé en trois dimensions,ρest la densité de charge par unité de volume etε​₀ est l'électriquepermittivité de l'espace libre​.

​Deuxième équation de Maxwellest la loi de Gauss pour le magnétisme, dans laquelle, contrairement au cas des champs électriques, il n'existe pas de "charge magnétique ponctuelle" ou demonopôle magnétique. Au lieu de cela, les lignes de champ magnétique apparaissent comme des boucles fermées. Le flux magnétique net à travers une surface fermée sera toujours égal à 0, ce qui résulte directement du fait que les champs magnétiques sont dipolaires.

La loi stipule en effet que chaque ligne d'un champ magnétiqueBentrer dans un volume choisi dans l'espace doit sortir de ce volume à un moment donné, et c'est le prochain flux magnétique à travers la surface est donc nul.

​Troisième équation de Maxwell(Loi de Faraday sur l'induction magnétique) décrit comment un champ électrique est créé par un champ magnétique changeant. Le drôle « funny » signifie « dérivé partiel » et implique une fluctuation. Mis à part les symboles étranges, la relation montre qu'un changement de flux électrique résulte à la fois d'unenon constantchamp magnétique.

​Quatrième équation de Maxwell(la loi d'Ampère-Maxwell) est la source des autres, pour la correction de Maxwell à l'échec d'Ampère à tenir compte des courants non permanents se répercutant sur les trois autres équations avec des facteurs de correction de leur propre. L'équation est dérivée de la loi d'Ampère et décrit comment un champ magnétique est généré par un courant (charge mobile), un champ magnétique changeant ou les deux.

Ici,μ​₀ est la perméabilité de l'espace libre. L'équation montre comment le champ magnétique à l'intérieur d'une zone donnée autour du courant dans un filJchange avec ce courant et avec le champ électriqueE​.

Une fois que Maxwell a formalisé sa compréhension de l'électricité et du magnétisme avec ses équations, il a cherché diverses solutions aux équations qui pourraient décrire de nouveaux phénomènes.

Étant donné qu'un champ électrique changeant génère un champ magnétique et qu'un champ magnétique changeant génère un champ électrique, Maxwell a déterminé qu'une onde électromagnétique auto-propagée pouvait être généré. En utilisant ses équations, il a déterminé que la vitesse d'une telle onde aurait une vitesse égale à la vitesse de la lumière. Cela s'est avéré n'être pas une coïncidence et a conduit à la découverte que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique !

En général, les ondes sont des oscillations dans un milieu qui transfèrent de l'énergie d'un endroit à un autre. Les ondes ont une longueur d'onde, une période et une fréquence qui leur sont associées. La vitessevd'une onde est sa longueur d'ondeλfois sa fréquenceF, ou f = v.

L'unité SI de longueur d'onde est le mètre, bien que les nanomètres soient plus fréquemment rencontrés car ils sont plus pratiques pour le spectre visible. La fréquence est mesurée en cycles par seconde (s^-1) ou alorshertz(Hz), d'après Heinrich Hertz. La périodeTd'une vague est le temps qu'il faut pour terminer un cycle, ou 1/f.

Pour le cas d'une onde EM, contrairement à la situation avec des ondes mécaniques,vest constant dans toutes les situations, ce qui signifie queλvarieinversementavecF. Autrement dit, des fréquences plus élevées impliquent des longueurs d'onde plus courtes pour unv. « Haute fréquence » implique également « haute énergie »; c'est-à-dire l'énergie électromagnétiqueEen joules (J) est proportionnel àF, via un facteur appelé constante de Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• L'équation d'une onde esty = Un sin (kx − ωt), oùUNEest l'amplitude,Xest le déplacement le long de l'axe x,kest le nombre d'onde 2π/k, et

​ω​

est la fréquence angulaire 2π/T.

Une onde électromagnétique est constituée d'un champ électrique (E) onde oscillant dans un plan perpendiculaire (à angle droit) à un champ magnétique (B) vague. Si vous vous imaginez comme une onde EM se déplaçant (« se propageant ») sur un sol plat, leEcomposante d'onde oscille dans un plan vertical à travers votre corps et leBl'onde oscille à l'intérieur du plancher horizontal.

Étant donné que le rayonnement électromagnétique agit comme une onde, toute onde électromagnétique particulière aura une fréquence et une longueur d'onde qui lui sont associées. Une autre contrainte est que, puisque la vitesse des ondes électromagnétiques est fixée à c = 3 × 10⁸ m/s, la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide (également utilisée pour la vitesse de la lumière dans l'air pour des approximations proches). Une fréquence plus basse est donc associée à des longueurs d'onde plus longues et vice versa.

Les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de milieu tel que l'eau ou le gaz pour se propager; par conséquent, ils peuvent traverser le vide de l'espace vide lui-même à la vitesse la plus rapide de tout l'univers !

Les ondes électromagnétiques sont produites dans une vaste gamme de fréquences et de longueurs d'onde. En commençant par la basse fréquence (énergie inférieure) et donc la longueur d'onde plus longue, les différents types de rayonnement EM sont :

• ​Les ondes radio(environ 1 m et plus): Le rayonnement EM radiofréquence s'étend sur environ 20 000 à 300 milliards de Hz. Ceux-ci "volent" non seulement dans le monde entier mais profondément dans l'espace, et leur exploitation par Marconi au tournant du 20ème siècle a révolutionné le monde de l'homme la communication.
• ​Micro-ondes(environ 1 mm à 1 m): Ceux-ci peuvent également pénétrer dans l'espace, mais ils sont utiles dans les applications météorologiques car ils peuvent également pénétrer dans les nuages.
• ​Ondes infrarouges(700 nm à 1 mm): le rayonnement infrarouge, ou « lumière infrarouge », fait partie des lunettes de « vision nocturne » et d'autres équipements d'amélioration visuelle.
• ​Lumière visible(400 nm à 700 nm): Les ondes lumineuses dans le spectre visible couvrent une infime fraction de la fréquence des ondes électromagnétiques et de la gamme de longueurs d'onde. Vos yeux, après tout, sont le produit assez conservateur de ce que la nature a besoin d'eux pour leur survie quotidienne.
• ​Lumière ultraviolette(10 nm à 400 nm): Les rayons ultraviolets sont à l'origine des coups de soleil et probablement aussi des tumeurs malignes de la peau. Néanmoins, les lits de bronzage n'existeraient pas sans elle.
• ​rayons X(environ 0,01 nm à 10 nm): ce rayonnement à plus haute énergie est une aide au diagnostic incroyable en médecine, mais cela doit être mis en balance avec leur potentiel de causer eux-mêmes des dommages physiques dans des expositions.
• ​Rayons gamma(< 0,01 nm): comme on peut s'y attendre, il s'agit d'un rayonnement à très haute énergie et donc potentiellement mortel. Sans l'atmosphère terrestre qui la bloquait en grande partie, la vie sous sa forme actuelle n'aurait pas pu démarrer il y a des milliards d'années. Ils sont utilisés pour traiter les tumeurs particulièrement agressives.

Parce que le rayonnement électromagnétique a à la fois les propriétés d'une onde et agira comme une onde lorsqu'il est mesuré en tant que tel, mais agit également comme une particule (appeléephoton) lorsqu'il est mesuré comme tel, on dit qu'il a une dualité particule-onde.

Un courant constant produit un champ magnétique constant, tandis qu'un courant changeant induit un champ magnétique changeant. Si le changement est constant et cyclique, on dit que les ondes (et les champs associés) oscillent ou "se tortillent" rapidement d'avant en arrière dans un plan.

Le même principe essentiel fonctionne en sens inverse: un champ magnétique oscillant induit un champ électrique oscillant.

Les ondes électromagnétiques résultent de cette interaction entre les champs électriques et magnétiques. Si une charge se déplace d'avant en arrière le long d'un fil, elle crée un champ électrique changeant, qui à son tour crée un champ magnétique changeant, qui se propage ensuite comme une onde EM, capable d'émettre photons. Il s'agit d'un exemple de deux ondes transversales (et champs) qui se coupent pour former une autre onde transversale.

• Les atomes et les molécules peuvent absorber et émettre des fréquences spécifiques de rayonnement électromagnétique compatibles avec leurs niveaux d'énergie quantifiés associés.

Les gens confondent souvent ces deux types d'ondes simplement parce qu'ils sont habitués à écouter la radio. Mais les ondes radio sont, comme vous le savez maintenant, une forme de rayonnement électromagnétique. Ils voyagent à la vitesse de la lumière et transmettent des informations de la station radio à votre radio. Cependant, cette information est ensuite convertie en mouvement d'un haut-parleur, qui produit des ondes sonores, qui sontlongitudinalvagues dans l'air (comme celles d'un étang après avoir été dérangé par un jet de pierre).

• Les ondes sonores se déplacent à environ 343 m/s dans l'air, ce qui est beaucoup plus lent que les ondes radio, et elles nécessitent un milieu à travers lequel se déplacer.

Un phénomène appelé décalage de fréquence Doppler dans le rayonnement EM permet aux astrophysiciens de dire si les objets dans l'espace se déplacent vers nous ou loin de nous, car un objet stationnaire émettant des ondes électromagnétiques montrera un motif différent de celui qui se déplace, par rapport à un observateur fixe.

Une technique appelée spectroscopie permet aux chimistes de déterminer la composition des gaz. L'atmosphère terrestre protège la biosphère des rayons ultraviolets les plus nocifs et d'autres rayonnements à plus haute énergie tels que les rayons gamma. Les fours à micro-ondes pour la cuisson des aliments ont permis aux étudiants de préparer des repas dans leurs dortoirs. Les signaux des téléphones portables et GPS sont un ajout relativement récent mais déjà essentiel à la liste des technologies dépendantes de l'énergie électromagnétique.