Ondes électromagnétiques

Les travaux de William Thomson (1824-1907) et Michael Faraday (1791-1867) sur les champs électriques et magnétiques et les lignes de Force ont piqué la curiosité d'un étudiant de Cambridge, James Clerk Maxwell (1831-1879). Dès qu'il a obtenu son diplôme en 1854, Maxwell a rassemblé tous les travaux fondamentaux réalisés dans le domaine de l'Électricité et du magnétisme.

Maxwell a synthétisé ses découvertes en quatre équations fondamentales, connues aujourd'hui sous le nom d'équations de Maxwell. C'est de ces équations qu'il a tiré le résultat dans le domaine des ondes électromagnétiques que toutes les perturbations du champ électromagnétique se déplacent à la même vitesse, la vitesse de la lumière, quelque soit la longueur d’onde. Il s'avère que la lumière et les perturbations électromagnétiques ou les ondes électromagnétiques sont les mêmes phénomènes ! On parle plutôt de lumière pour faire référence à l'infime partie du spectre des ondes électromagnétiques qui est visible par l’œil humain. Dans le reste du spectre, on trouve notamment toute fréquence des ondes électromagnétiques utile aux télécommunications. Cette unification de l'Électricité, du magnétisme et de l'Optique est, dans l'histoire des sciences, l'une des plus grandes unifications de domaines physiques que l'on croyait auparavant distincts.

Propriétés des ondes électromagnétiques

Nous abordons ici certaines des principales propriétés et caractéristiques des ondes électromagnétiques. Certaines de ces caractéristiques se retrouvent dans d'autres types d'ondes, tandis que d'autres sont plus spécifiques aux ondes électromagnétiques.

Les ondes électromagnétiques sont des ondes transverses

Une onde électromagnétique est une onde transverse dans laquelle les champs électrique et magnétique oscillent dans des directions perpendiculaires l'une à l'autre et perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Les ondes transversales oscillent à angle droit par rapport à la direction de propagation de l'onde.

Vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide

Les travaux pionniers de Maxwell sur l'électricité et le magnétisme ont également fourni une méthode pour calculer la vitesse des ondes électromagnétiques.

Afin de calculer la vitesse des ondes électromagnétiques, Maxwell a dû combiner mathématiquement deux constantes. Les champs électriques et les champs magnétiques peuvent être atténués par la présence de matière. Dans le vide, les ondes électromagnétiques peuvent librement se déplacer, mais elles sont toujours limitées par une vitesse limite universelle.

Cette limite est représentée par la permittivité électrique du vide et la perméabilité magnétique du vide. Lors de vos examens, tu ne seras pas testé sur la permittivité et la perméabilité du vide. Mais il n'y a pas de mal à s'exposer à des sujets intéressants qui dépassent le cadre du programme !

Les constantes \( \epsilon_0 \) et \( \mu_0 \) s'écrivent avec des zéros en indice pour préciser que les champs électriques et magnétiques se trouvent dans le vide. Le vide est une région de l'espace ne contenant aucune matière avec laquelle l'onde électromagnétique pourrait interagir.

Voici leurs valeurs connues :

\[ \epsilon_0 = 8{,}854 \times 10^{-12} C^2 / N / m^2\] et \[\mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7} N / A^2 \]

La vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide est donnée par l'équation suivante :

\[ c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} \]

Dans le vide du vide, toutes les ondes électromagnétiques se déplacent à la même vitesse \(c =3\cdot 10^8 \,m/s \).

Propriétés partagées par toutes les ondes

Comme toute onde, les ondes électromagnétiques peuvent être réfractées et réfléchies.

Lorsque les ondes électromagnétiques entrent en collision avec la matière, elles interagissent avec elle de la même manière que les ondes mécaniques. Les ondes électromagnétiques peuvent se réfléchir sur une surface, se réfracter lorsqu'elles pénètrent dans un nouveau milieu et se diffracter ou se répandre lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une ouverture.

Que se passe-t-il lorsque les ondes électromagnétiques passent d'un endroit à un autre ?

Les ondes électromagnétiques, comme les autres ondes, transportent de l'énergie d'un endroit à un autre. On peut les considérer comme l'un des nombreux moyens de transférer de l'énergie d'une réserve d'énergie à une autre. Le rayonnement électromagnétique est le transfert d'énergie par les ondes électromagnétiques. Celles-ci ont la capacité de transporter de l'énergie à travers la matière ainsi qu'à travers le vide.

Les ondes électromagnétiques peuvent être émises et absorbées par la matière. Lorsque le rayonnement électromagnétique est absorbé par un matériau, l'énergie du rayonnement est transférée sous une autre forme d'énergie, comme l'énergie thermique.

À quoi correspond le domaine des ondes électromagnétiques ?

Les différents types d'ondes électromagnétiques peuvent être classés en fonction de leur Longueur d'onde ou de leur fréquence.

Longueur d'onde et fréquences ondes électromagnétiques

La fréquence d'une onde est inversement proportionnelle à sa Longueur d'onde pour une vitesse constante. Or, nous savons que la vitesse de la lumière est constante. Nous pouvons donc conclure que lorsque la Longueur d'onde d'une onde électromagnétique augmente, sa fréquence diminue.

Cette relation entre la fréquence et la longueur d'onde d'une onde électromagnétique est représentée par l'équation d'onde : \[ c= \lambda \cdot \nu \]

C'est-à-dire que la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide, qui vaut \(3.10^8 \, m/s\), est égale au produit de la longueur d'onde fois la fréquence. En isolant la fréquence, on obtient : \[ \textrm{fréquence}=\frac{\textrm{vitesse de la lumière}}{\textrm{longueur d'onde}} \]

On voit donc que la fréquence d'une onde électromagnétique est en effet inversement proportionnelle à sa longueur d'onde.

Spectre des ondes électromagnétiques

Passons en revue les principaux domaines du spectre électromagnétique.

Figure 1. Le spectre électromagnétique est représenté de la basse fréquence/longue longueur d'onde à la haute fréquence/courte longueur d'onde.

Télécommunications

Les ondes électromagnétiques sont largement utilisées dans les télécommunications. Qu'il s'agisse d'ondes radio, d'ondes téléphoniques ou de réseaux locaux comme le Wi-Fi et le Bluetooth, toutes ces télécommunications sont transmises à l'aide d'ondes électromagnétiques. Différentes parties du spectre sont utilisées en fonctions des usages.

Particularités des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques se distinguent des ondes mécaniques en ce qu'elles ne se propagent pas à l'aide d'un milieu. Cela signifie que les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide de l'espace sans qu'aucun matériau ne soit nécessaire à leur propagation. Les ondes électromagnétiques peuvent être considérées comme des oscillations dans l'espace et le temps des champs magnétiques et électriques. Les champs électriques et magnétiques d'une onde lumineuse oscillent à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.

Figure 2. Les ondes électromagnétiques sont constituées de champs électriques et magnétiques oscillant à angle droit l'un par rapport à l'autre et à angle droit par rapport à la direction de propagation de l'onde.

Une façon de former les ondes électromagnétiques est par l'oscillation de particules chargées. En effet, les particules chargées créent un Champ électrique, et comme elles se déplacent par oscillation dans un sens et son contraire, elles créent également un champ magnétique. Les champs magnétiques changeants produisent des champs électriques et les champs électriques changeants produisent des champs magnétiques. De cette façon, les perturbations électromagnétiques, ou ondes électromagnétiques, peuvent se propager dans l'espace.

Les ondes électromagnétiques peuvent être produites de plusieurs façons. Une source particulière de rayonnement électromagnétique que nous rencontrons fréquemment dans la vie moderne est constituée par les ondes radio produites par les circuits électriques. Les circuits électriques à courant alternatif sont constitués de charges qui oscillent de haut en bas du circuit, et produisent donc des ondes électromagnétiques dont la fréquence caractéristique dépend de la fréquence du courant électrique.

Comme les ondes radio sont des ondes électromagnétiques, elles peuvent interagir avec les particules chargées elles-mêmes. Cela signifie que, tout comme les courants électriques peuvent produire des ondes radio, les ondes radio peuvent également produire des courants électriques de la même fréquence.