Chapitre 1 Ondes électromagnétiques Spectres, communication et énergie

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Laure Chabot
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1 TSTI2D 1 Ondes électromagnétiques Spectres, communication et énergie 1. Ondes électromagnétiques Définitions 1-1 Structure d une onde électromagnétique Une onde électromagnétique est un signal périodique qui, suivant sa fréquence, peut être une onde radio, de la lumière, des rayons X, etc. Elle peut se propager sans support matériel, donc dans le vide. Ces ondes correspondent à la propagation de deux vibrations : celle d un champ électrique et d un champ magnétique. Ces deux vibrations sont de même fréquence et donc de même période. De plus, les champs et sont perpendiculaires l un à l autre. Ces deux champs sont, à tout instant, en phase (passage aux zéros, aux maxima en même temps), et perpendiculaires à la direction de propagation. 1-2 Caractéristiques de la propagation d'une onde Célérité Les ondes électromagnétiques se propagent dans tout milieu transparent avec une vitesse appelée célérité notée C. Cette vitesse est maximale dans le vide (et dans l'air) =,... Dans les autres milieux transparents (eau, verre...) la célérité des ondes électromagnétiques est plus faible Fréquence, période et longueur d'onde La fréquence d'une onde électromagnétique est imposée par la source et ne dépend pas du milieu qu'elle traverse. C'est le nombre d'oscillations des champs électriques et magnétiques par seconde. Cette fréquence est noté ou (lettre grecque nu) et s'exprime en hertz (Hz). La durée d'un motif de l'oscillation est appelée période. Elle est notée et s'exprime en secondes (s).

2 TSTI2D 2 La période et la fréquence sont liées par la relation suivante : = Pendant la durée correspondant à la période, l'onde a progressé d'une distance nommée longueur d'onde et exprimée en mètres. Cette longueur d'onde dépend de la célérité C dans le milieu traversé : =. 2. Le photon - Particule de lumière La lumière ou le rayonnement électromagnétique peut être décrit comme une onde ou comme une particule se déplaçant avec une certaine quantité d'énergie : le photon. Chaque photon dispose d' 'une énergie qui ne dépend que de la fréquence de l'onde électromagnétique... E : énergie en joules (J) h : constante de Planck - 6,63.10!" #.$ : fréquence de l'onde en hertz (Hz) C : célérité de l'onde électromagnétique en m.s -1. : longueur d'onde en mètres (m). Lorsqu'on calcule l'énergie d'une particule, elle est généralement petite. On définit une unité plus pratique : l'électronvolt.,. % & Par définition, c'est l'énergie de potentiel d'un volt. Note biographique Max Planck ( ) physicien allemand, lauréat du prix Nobel de physique de 1918 pour ses travaux en théorie des quanta. Il a reçu la médaille Lorentz en 1927 et le prix Goethe en C'est l'un des fondateurs de la mécanique quantique. 3. Transmission d une onde électromagnétique acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence Un circuit électrique couplé à une antenne permet d émettre ou de capter une onde électromagnétique. Un réseau de télécommunications utilise des antennes pour transmettre les informations à l aide d ondes radiofréquences et micro-ondes.

3 TSTI2D 3 Si le signal est émis par une antenne (source) avec une puissance P 0, quand on s éloigne de la source l intensité du champ électrique de l onde diminue selon la relation : = '(.) * E : intensité du champ électrique en volt par mètre (V.m -1 ) P 0 : puissance d émission de l antenne en watt (W) d : éloignement de la source en mètre (m) α : constante liée à l antenne utilisée en ohm (Ω) Pour mesurer le niveau d exposition à une onde c est à dire l intensité du champ électrique en un point on utilise un champmètre. En tout point, le rapport entre l intensité du champ électrique et l intensité du champ magnétique est égal à la vitesse de l onde dans le milieu de propagation : + = E : champ électrique en volt par mètre (V.m -1 ) B : champ magnétique en tesla (T) C : célérité de l onde dans le milieu en mètre par seconde (m.s -1 ) 4. Spectre et interaction 4-1 Spectre des ondes électromagnétiques Le rayonnement électromagnétique est découpé en plages de fréquences. Ces plages de fréquences, dont les limites ne sont en général pas très précises, correspondent aux comportements de ces ondes (soit pour l émission soit pour l effet). Classiquement, le spectre des ondes électromagnétiques se décompose comme indiqué sur la figure suivante. ν Fréquence en Hz , , Rγ Rayons gamma RX Rayons X UV Visible IR Infrarouges Ondes radio Ondes hertziennes nm 1 µm mm λ Longueur d onde en m Les bornes couramment admises pour le rayonnement visible par l œil humain sont 400nm (violet profond) et 800 nm (rouge profond). On a vu que l énergie transportée par un photon est plus importante si la fréquence augmente. On distingue généralement les rayonnements à partir des ultraviolets comme les rayonnements à haute énergie. Ces rayonnements sont utilisés (en particulier le rayonnement X) dans certains outils d imagerie médicale (radiographie et scanner). Chaque domaine du spectre trouve des applications trop nombreuses pour être détaillées ici.

4 TSTI2D Interaction rayonnement/matière Lorsqu un rayonnement électromagnétique atteint un objet, une fraction de ce rayonnement est absorbée tandis qu une autre est réfléchie par l objet. Une partie de cette énergie peut éventuellement être transmise à travers l objet si celui-ci est plus ou moins transparent. Tableau récapitulatif des interactions : Domaine Source Interaction avec la matière Radiation très énergétique et très pénétrante. Les Rayons gamma Rayons X UV Visible IR Désintégration radioactive Tube à rayon X type Coolridge Soleil, Lampe à décharge Soleil, lampe Corps chaud 5. Rayonnement thermique Objectif bac page 261 rayons gamma sont des rayonnements ionisants Radiation énergétiques et pénétrantes Les rayons X sont des rayonnements ionisants. L absorption des RX par la matière augmente quand : - l épaisseur de la matière traversée augmente ; - le numéro atomique Z des éléments chimiques qui composent la matière augmente ; - la longueur d onde des RX augmentent. Les UV provoquent les coups de soleil, le bronzage, le vieillissement prématuré de la peau. Comme une part de ces rayonnements ne sont pas filtrés par l atmosphère terrestre, il faut s en protéger. Ils réduisent la croissance des plantes et endommagent les peintures et les plastiques. Beaucoup de techniques d analyses utilisent le spectre de la lumière dans la zone visible. En particulier, on étudie les spectres d absorption afin d analyser la composition d une solution transparente colorée. Les IR ne sont pas capables de pénétrer la peau en profondeur mais interagissent avec la couche superficielle provoquant une sensation de chaleur. On analyse souvent la composition de la lumière IR émise par un objet ou une partie du corps afin de détecter une anomalie ou une caractéristique (thermographie médicale ou dans le bâtiment). 5-1 Loi de Wien Maintenu à une température T, un corps émet un rayonnement électromagnétique polychromatique dont l intensité est maximale pour une longueur d onde λ max. Quand la température augmente, λ max se déplace vers les courtes longueurs d ondes. La loi de Wien permet de la calculer :,- = + λ max : longueur d onde en mètre (m) T : température du corps en kelvin (K) B : constante de Wien (B = 2, K.m)

5 TSTI2D Loi de Stefan La puissance rayonnée par un corps de surface S à la température T se calcule par la loi de Stefan : )=../. 0 P : puissance rayonnée en watt (W) σ : constante de Stefan (σ = 5, W.m -2.K -4 ) S : surface en mètre carré (m²) T : température en kelvin (K) Exercices : qcm p.60, exercice résolu p.61, 14, 19, 20, 22 p.63

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