Chap. 3 : Ondes électromagnétiques

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1 Chap. 3 : Ondes électromagnétiques 1) Structure et propagation Contrairement aux ondes mécaniques ou acoustiques qui impliquent la mise en mouvement d un milieu matériel, les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à une vitesse appelée «vitesse de la lumière» : c = m/s Une onde électomagnétique se propage à partir d un point source où est produit un champ électrique oscillant : E = E cos( ωt kx) u y et une induction magnétique oscillante: B = B cos( ωt kx) u La fréquence de la vibration électromagnétique (en Hertz) : f = ω/2π La longueur d onde (en mètre) est donnée par : λ = c / f k // Ox E B Le vecteur d onde est : avec : k = 2π/λ voir le site : z z y

2 Détecteurs Exemples d'utilisation 2) Les ondes électromagnétiques : une grande famille de rayonnements qui se différentient par leurs longueurs d onde λ Le spectre des ondes électromagnétiques s étend depuis les Ondes radio (λ >1m) jusqu aux Rayons cosmiques (λ < m), Au centre du spectre, la Lumière visible (par l œil) n occupe qu un petit intervalle de longueurs d ondes, depuis λ = 700 nm (rouge) jusqu à λ = 400 nm (violet) Les autres longueurs d ondes «invisibles» sont décelables à l aide de différents Détecteurs CEA/DCom - octobre 2001 Mentions Légales CEA Tous droits réservés

3 3) Onde créée par un dipôle électrique oscillant à la fréquence f Aux instants t = 0, T, 2T, le long de l axe Ox, le champ électrique E y > 0 Aux instants t = T/2, 3T/2, le long de l axe Ox, le champ électrique E y < 0 - E y + + x - E y x Ceci n est vrai qu à des distances x <<λ Dans le domaine des ondes radio, une antenne est un dipôle oscillant Dans le domaine UV-visible un atome peut devenir un dipôle oscillant

4 4) Polarisation d une onde électromagnétique Si le champ électrique (et l induction magnétique) gardent une direction fixe (E z =0 et B y =0) on dit que l onde possède une polarisation rectiligne. - c est le cas d un dipôle oscillant de direction fixe Si le champ E (et l induction B) n ont pas de direction privilégiée on dit que l onde est non polarisée - cas d un ensemble de dipôles de directions aléatoires Si le champ E et l induction B tournent de façon réguière autour de l axe Ox on dit que l onde est polarisée circulairement 0 0 ( ω ) ( ω ) E = E cos t kx y E =± E sin t kx z -> 2 sens de rotation suivant le signe ± E 0 («circulaire droite» ou «circulaire gauche»)

5 5) Sources de lumière 5-A) Rayonnement thermique : sources à incandescence un corps matériel, porté à haute température, émet un rayonnemment électromagnétique de spectre très étendu. la longueur d onde du maximum d émission λ m et la couleur apparente de la source dépendent de sa température absolue T: λ m = B / T (loi de Wien) Les étoiles ont des couleurs apparentes qui dépendent leur température (de surface)

6 5) Sources de lumière (suite) 5-B) Emission atomique : lampes à décharge électrique elles sont caractérisées par un spectre de raies correspondant à des transitions entre les niveaux d énergie de chaque type d atome (ou de molécule) Niveaux d énergie et transitions de l atome d hydrogène seules quelques raies d émission sont dans le visible cf. lampes à vapeur de sodium (jaunes) l émission de rayonnement UV peut être convertie en lumière blanche par des substances «fluorescentes» cf. lampes et tubes fluorescents (à vapeur de mercure)

7 5) Sources de lumière (suite) 5-C) LASERS A GAZ ET DIODES LASERS (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Dans des mélanges de gaz (He/Ne) ou dans des cristaux semiconducteurs, on peut, par une excitation appropriée : 1) créer une «inversion de population» des niveaux d énergie et 2) déclencher, dans une cavité résonante, l émission stimulée d une onde plane monochromatique et très collimatée : un faisceau LASER

8 6) Spectre d un rayonnement, absorption et transmission Le rayonnement électromagnétique enregistré par un détecteur est caractérisé par son spectre I(λ) qui intègre l ensemble des caractéristiques de la source, et la «transparence» des milieux traversés (effets d absorption et de filtrage) Exemple du spectre d une étoile dans le domaine visible et infrarouge après traversée de l atmosphère

9 7) Mesurer la puissance émise, transmise et utile. Dans la gamme des longueurs d ondes de la lumière visible, on définit l efficacité lumineuse d une source comme le rapport : R = (flux lumineux)/(puissance électrique consommée) Le flux lumineux Φ (en lumen) mesure la puissance totale convertie en lumière visible : pour une lampe à incandescence : R 10 lm/watt pour une lampe à vapeur de sodium : R 90 lm/watt pour un tube fluorescent : R 60 lm/watt pour une diode LASER : R 200 lm/watt L intensité lumineuse I θ = ΔΦ/ΔΩ (en candela ) mesure le flux lumineux ΔΦ émis par unité d angle solide ΔΩ, dans la direction u θ. NB : en un point donné, l intensité lumineuse est proportionnelle au carré de l amplitude du champ électrique : I θ ~ E y 2 L éclairement d une surface E = ΔΦ/ΔS (en lux) mesure le flux lumineux total ΔΦ recu par l élément de surface ΔS. NB : sur les tables d une salle de cours on recommande un éclairement E 500 lux

10 8) Le photon : onde électromagnétique et quantum d énergie Une transition atomique du niveau d énergie E i vers le niveau E f se produit par émission d un photon si E i > E f ou encore absorption d un photon si E i < E f L énergie E du photon est reliée à la fréquence f et à la longueur d onde λ par la formule de Planck : E = E i -E f = hf = hc/λ soit, en unités pratiques, pour la gamme des ondes UV-visible : E(eV) = 1.2/ λ (μm) ou encore, pour la gamme des rayons X et des rayons γ ; E(keV)= 1.2 /λ (nm)