Transcript L`Onde Électromagnétique

L’Onde Électromagnétique
Fondements
• émission
• propagation
• interaction
Armel Boutard
L’émission d’une onde
électromagnétique (1)
• 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)
• 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)
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
agitation
v≠0
a≠0
Conclusion: tout système physique
émet une onde électromagnétique
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)
transition d’état dans un système physique
Énergie du
photon
radiations
molécule
atome
noyau
infrarouge
< eV
visible
qques eV
ultraviolet
diz-cent. eV
rayons X
cent. milliers eV
rayons gamma ()
qques MeV
Attention danger
usages
chaleur
spectroscopie IR
lumière
diagnostic et
traitements
diagnostic et
traitements
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)
L’onde électromagnétique
Énergie associée
I  E², B²
Moitiée pour chaque
composante
Variations temporelles et spatiales des champs
magnétique et électrique d’une onde électromagnétique
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/c
n
1,00034
visible
1,00032
1,00030
1,00028
0,4
0,8
 (μm)
La variation importante de l’indice de
réfraction optique (n) avec le milieu
milieux
indice n
air
eau
verre
1,0003
1,3
1,5 à 1,8
n = c0/c
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
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
Réacteur de l’institut LauéLangevin
Dualité onde - matière
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)
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)
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.
Énergie associée: I  E², B²
moitiée pour chaque composante
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
tube à vide
hν
L’effet photoélectrique
collecteur
-e
galvanomètre
Des radiations électromagnétiques (lumière
solaire) incidentes sur une plaque photosensible génère un courant électrique
(émission d’élecrons)
Intensité du courant
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
ν0
fréquence
La fréquence seuil ν0 dépend de
la nature du matériau utilisé et
correspond aux états d’exitation
(électroniques) du matériau
Cas de l’atome
électron libre Ec = Ephoton –E1
radiations émises
visible
E1>E2 > E3 > E4 > E5
UV
R-X
Ephoton> E1
E1 E2 E3
E4
E5
déexcitation
excitation
nombre de photons détectés
L’analyse spectroscopique
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
E1-E2
E1-E3
Ephoton
Un spectre de raies caractéristiques des éléments
contenus dans l’échantillon
La spectroscopie des éléments naturels: un
outil puissant d’identificarion des éléments
et des corps de notre environnement
Radiations absorbées
ou émises (résonance)
molécule
infrarouge
visible
atome
ultraviolet
rayons X
noyau
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
rayons gamma () d’atomes) sont différents
Genre
Bande de
fréquence
Production
anthropique
Production naturelle
(Terre et Univers)
radiations
ionisantes
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
radiations
non
ionisantes
visible
lampes de tous genres,
atomes (T), éclaires
Soleil, 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
--
très basse fréquence
very low frequency
phénomènes terrestres et
atmosphériques
VLF