Rayonnement électromagnétique
ThéorieEdit
Équations de MaxwellÉdition
James Clerk Maxwell a dérivé une forme ondulatoire des équations électriques et magnétiques, découvrant ainsi la nature ondulatoire des champs électriques et magnétiques et leur symétrie. Comme la vitesse des ondes électromagnétiques prédite par l’équation d’onde coïncidait avec la vitesse mesurée de la lumière, Maxwell a conclu que la lumière elle-même était une onde électromagnétique. Les équations de Maxwell ont été confirmées par Heinrich Hertz grâce à des expériences sur les ondes radio.
Selon les équations de Maxwell, un champ électrique variant dans l’espace est toujours associé à un champ magnétique qui change dans le temps. De même, un champ magnétique variant dans l’espace est associé à des changements spécifiques dans le temps du champ électrique. Dans une onde électromagnétique, les changements du champ électrique sont toujours accompagnés d’une onde du champ magnétique dans une direction, et vice versa. Cette relation entre les deux se produit sans qu’aucun type de champ ne cause l’autre ; au contraire, ils se produisent ensemble de la même manière que les changements de temps et d’espace se produisent ensemble et sont liés entre eux dans la relativité restreinte. En fait, les champs magnétiques peuvent être considérés comme des champs électriques dans un autre cadre de référence, et les champs électriques peuvent être considérés comme des champs magnétiques dans un autre cadre de référence, mais ils ont une signification égale car la physique est la même dans tous les cadres de référence, de sorte que la relation étroite entre les changements spatiaux et temporels est ici plus qu’une analogie. Ensemble, ces champs forment une onde électromagnétique qui se propage, se déplace dans l’espace et ne doit plus jamais interagir avec la source. Le champ électromagnétique lointain ainsi formé par l’accélération d’une charge emporte avec lui de l’énergie qui « rayonne » dans l’espace, d’où le terme.
Champs proche et lointainModification
Les équations de Maxwell ont établi que certaines charges et certains courants (« sources ») produisent un type local de champ électromagnétique près d’eux qui n’a pas le comportement du rayonnement électromagnétique. Les courants produisent directement un champ magnétique, mais il est de type dipôle magnétique qui s’éteint avec la distance au courant. De la même manière, des charges mobiles poussées à l’écart dans un conducteur par un potentiel électrique variable (comme dans une antenne) produisent un champ électrique de type dipôle électrique, mais celui-ci décroît également avec la distance. Ces champs constituent le champ proche de la source de rayonnement électromagnétique. Aucun de ces comportements n’est responsable du rayonnement électromagnétique. Ils provoquent plutôt un comportement de champ électromagnétique qui ne transfère efficacement la puissance qu’à un récepteur très proche de la source, comme l’induction magnétique à l’intérieur d’un transformateur, ou le comportement de rétroaction qui se produit à proximité de la bobine d’un détecteur de métaux. En général, les champs proches ont un effet puissant sur leurs propres sources, provoquant une augmentation de la « charge » (diminution de la réactance électrique) dans la source ou l’émetteur, chaque fois que de l’énergie est retirée du champ électromagnétique par un récepteur. Autrement, ces champs ne se « propagent » pas librement dans l’espace, emportant leur énergie sans limite de distance, mais oscillent plutôt, renvoyant leur énergie à l’émetteur si elle n’est pas reçue par un récepteur.
En revanche, le champ lointain EM est composé de rayonnements qui sont libres de l’émetteur dans le sens où (contrairement au cas d’un transformateur électrique) l’émetteur a besoin de la même puissance pour envoyer ces changements dans les champs, que le signal soit immédiatement capté ou non. Cette partie distante du champ électromagnétique est le « rayonnement électromagnétique » (également appelé champ lointain). Les champs lointains se propagent (rayonnent) sans que l’émetteur puisse les affecter. Ils sont donc indépendants dans le sens où leur existence et leur énergie, après avoir quitté l’émetteur, sont totalement indépendantes de l’émetteur et du récepteur. En raison de la conservation de l’énergie, la quantité d’énergie passant par toute surface sphérique tracée autour de la source est la même. Étant donné qu’une telle surface a une aire proportionnelle au carré de sa distance à la source, la densité de puissance du rayonnement électromagnétique diminue toujours avec l’inverse du carré de la distance à la source ; c’est ce qu’on appelle la loi de l’inverse du carré. Cela contraste avec les parties dipolaires du champ EM proches de la source (le champ proche), qui varient en puissance selon une loi de puissance inverse du cube, et ne transportent donc pas une quantité d’énergie conservée sur des distances, mais s’atténuent au contraire avec la distance, son énergie (comme indiqué) retournant rapidement à l’émetteur ou étant absorbée par un récepteur proche (comme une bobine secondaire de transformateur).
Le champ lointain (EMR) dépend d’un mécanisme différent pour sa production que le champ proche, et de termes différents dans les équations de Maxwell. Alors que la partie magnétique du champ proche est due aux courants dans la source, le champ magnétique dans le DME est dû uniquement à la variation locale du champ électrique. De la même manière, alors que le champ électrique du champ proche est dû directement aux charges et à la séparation des charges dans la source, le champ électrique du DME est dû à une variation du champ magnétique local. Les deux processus de production de champs électriques et magnétiques EMR ont une dépendance à la distance différente de celle des champs électriques et magnétiques dipolaires en champ proche. C’est pourquoi le type de champ EMR devient dominant dans la puissance « loin » des sources. Le terme « loin des sources » fait référence à la distance à laquelle se trouve toute partie du champ EM se déplaçant vers l’extérieur (se déplaçant à la vitesse de la lumière), au moment où les courants de la source sont modifiés par le potentiel variable de la source, et où la source a donc commencé à générer un champ EM se déplaçant vers l’extérieur d’une phase différente.
Une vision plus compacte du DME est que le champ lointain qui compose le DME est généralement la partie du champ EM qui a parcouru une distance suffisante depuis la source, qu’il est devenu complètement déconnecté de toute rétroaction vers les charges et les courants qui en étaient initialement responsables. Désormais indépendant des charges sources, le champ électromagnétique, à mesure qu’il s’éloigne, ne dépend plus que des accélérations des charges qui l’ont produit. Il n’a plus de lien fort avec les champs directs des charges, ni avec la vitesse des charges (courants).
Dans la formulation du potentiel de Liénard-Wiechert des champs électriques et magnétiques dus au mouvement d’une seule particule (selon les équations de Maxwell), les termes associés à l’accélération de la particule sont ceux qui sont responsables de la partie du champ qui est considérée comme un rayonnement électromagnétique. En revanche, le terme associé au changement du champ électrique statique de la particule et le terme magnétique qui résulte de la vitesse uniforme de la particule, sont tous deux associés au champ proche électromagnétique, et ne comprennent pas de rayonnement EM.
Edition des propriétés
L’électrodynamique est la physique du rayonnement électromagnétique, et l’électromagnétisme est le phénomène physique associé à la théorie de l’électrodynamique. Les champs électriques et magnétiques obéissent aux propriétés de superposition. Ainsi, un champ dû à une particule particulière ou un champ électrique ou magnétique variant dans le temps contribue aux champs présents dans le même espace dus à d’autres causes. De plus, comme il s’agit de champs vectoriels, tous les vecteurs des champs magnétiques et électriques s’additionnent selon la méthode de l’addition vectorielle. Par exemple, en optique, deux ou plusieurs ondes lumineuses cohérentes peuvent interagir et, par interférence constructive ou destructive, donner une irradiance résultante s’écartant de la somme des irradiances composantes des ondes lumineuses individuelles.
Les champs électromagnétiques de la lumière ne sont pas affectés par le déplacement à travers des champs électriques ou magnétiques statiques dans un milieu linéaire tel que le vide. Cependant, dans les milieux non linéaires, comme certains cristaux, des interactions peuvent se produire entre la lumière et les champs électriques et magnétiques statiques – ces interactions incluent l’effet Faraday et l’effet Kerr.
Dans la réfraction, une onde passant d’un milieu à un autre de densité différente modifie sa vitesse et sa direction en entrant dans le nouveau milieu. Le rapport des indices de réfraction des milieux détermine le degré de réfraction, et est résumé par la loi de Snell. La lumière de longueurs d’onde composites (lumière naturelle du soleil) se disperse en un spectre visible en passant à travers un prisme, en raison de l’indice de réfraction dépendant de la longueur d’onde du matériau du prisme (dispersion) ; c’est-à-dire que chaque onde composante au sein de la lumière composite est courbée d’une quantité différente.
Le rayonnement électromagnétique présente à la fois des propriétés d’onde et des propriétés de particule (voir dualité onde-particule). Les caractéristiques d’onde et de particule ont été confirmées dans de nombreuses expériences. Les caractéristiques ondulatoires sont plus apparentes lorsque le rayonnement EM est mesuré sur des échelles de temps relativement grandes et sur de grandes distances, tandis que les caractéristiques particulaires sont plus évidentes lorsque l’on mesure de petites échelles de temps et de petites distances. Par exemple, lorsque le rayonnement électromagnétique est absorbé par la matière, les propriétés de type particulaire seront plus évidentes lorsque le nombre moyen de photons dans le cube de la longueur d’onde concernée est bien inférieur à 1. Il n’est pas si difficile d’observer expérimentalement un dépôt non uniforme d’énergie lorsque la lumière est absorbée, mais cela ne constitue pas à lui seul une preuve de comportement « particulaire ». Il reflète plutôt la nature quantique de la matière. Démontrer que la lumière elle-même est quantifiée, et pas seulement son interaction avec la matière, est une affaire plus subtile.
Certaines expériences montrent à la fois les natures ondulatoire et particulaire des ondes électromagnétiques, comme l’auto-interférence d’un photon unique. Lorsqu’un photon unique est envoyé à travers un interféromètre, il passe par les deux chemins, interférant avec lui-même, comme le font les ondes, tout en étant détecté par un photomultiplicateur ou un autre détecteur sensible une seule fois.
Une théorie quantique de l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière telle que les électrons est décrite par la théorie de l’électrodynamique quantique.
Les ondes électromagnétiques peuvent être polarisées, réfléchies, réfractées, diffractées ou interférer entre elles.
Modèle d’ondeEdit
Dans les milieux homogènes et isotropes, le rayonnement électromagnétique est une onde transversale, c’est-à-dire que ses oscillations sont perpendiculaires à la direction de transfert et de déplacement de l’énergie. Les parties électrique et magnétique du champ se trouvent dans un rapport fixe de forces afin de satisfaire les deux équations de Maxwell qui spécifient comment l’une est produite à partir de l’autre. Dans les milieux sans dissipation (sans perte), ces champs E et B sont également en phase, les deux atteignant des maxima et des minima aux mêmes points de l’espace (voir illustrations). On croit souvent à tort que les champs E et B du rayonnement électromagnétique sont déphasés parce qu’un changement dans l’un produit l’autre, ce qui produirait une différence de phase entre eux en tant que fonctions sinusoïdales (comme cela se produit effectivement dans l’induction électromagnétique et dans le champ proche près des antennes). Cependant, dans le rayonnement électromagnétique de champ lointain qui est décrit par les deux équations de l’opérateur de curl de Maxwell sans source, une description plus correcte est qu’un changement de temps dans un type de champ est proportionnel à un changement d’espace dans l’autre. Ces dérivées exigent que les champs E et B du DME soient en phase (voir la section sur les mathématiques ci-dessous).
Un aspect important de la nature de la lumière est sa fréquence. La fréquence d’une onde est son taux d’oscillation et se mesure en hertz, l’unité SI de fréquence, où un hertz est égal à une oscillation par seconde. La lumière a généralement plusieurs fréquences qui s’additionnent pour former l’onde résultante. Les différentes fréquences subissent des angles de réfraction différents, un phénomène connu sous le nom de dispersion.
Une onde monochromatique (une onde d’une seule fréquence) est constituée de creux et de crêtes successifs, et la distance entre deux crêtes ou creux adjacents est appelée longueur d’onde. Les ondes du spectre électromagnétique varient en taille, des ondes radio très longues, plus longues qu’un continent, aux rayons gamma très courts, plus petits que des noyaux d’atomes. La fréquence est inversement proportionnelle à la longueur d’onde, selon l’équation:
v = f λ {\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }.
où v est la vitesse de l’onde (c dans le vide ou moins dans d’autres milieux), f est la fréquence et λ est la longueur d’onde. Lorsque les ondes traversent les frontières entre différents milieux, leur vitesse change mais leur fréquence reste constante.
Les ondes électromagnétiques dans l’espace libre doivent être des solutions de l’équation des ondes électromagnétiques de Maxwell. Deux classes principales de solutions sont connues, à savoir les ondes planes et les ondes sphériques. Les ondes planes peuvent être considérées comme le cas limite des ondes sphériques à une très grande distance (idéalement infinie) de la source. Les deux types d’ondes peuvent avoir une forme d’onde qui est une fonction temporelle arbitraire (tant qu’elle est suffisamment différentiable pour se conformer à l’équation d’onde). Comme toute fonction temporelle, celle-ci peut être décomposée au moyen de l’analyse de Fourier en son spectre de fréquence, ou en composantes sinusoïdales individuelles, dont chacune contient une fréquence, une amplitude et une phase uniques. On dit d’une telle onde composante qu’elle est monochromatique. Une onde électromagnétique monochromatique peut être caractérisée par sa fréquence ou sa longueur d’onde, son amplitude de crête, sa phase par rapport à une certaine phase de référence, sa direction de propagation et sa polarisation.
L’interférence est la superposition de deux ou plusieurs ondes résultant en un nouveau modèle d’onde. Si les champs ont des composantes dans la même direction, ils interfèrent de manière constructive, tandis que les directions opposées provoquent une interférence destructive. Un exemple d’interférence causée par les DME est l’interférence électromagnétique (EMI) ou, comme on l’appelle plus communément, l’interférence radiofréquence (RFI). En outre, plusieurs signaux de polarisation peuvent être combinés (c’est-à-dire interférés) pour former de nouveaux états de polarisation, ce qui est connu sous le nom de génération d’états de polarisation parallèles.
L’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques est parfois appelée énergie rayonnante.
Modèle particulaire et théorie quantiqueEditer
Une anomalie est apparue à la fin du 19e siècle impliquant une contradiction entre la théorie ondulatoire de la lumière et les mesures des spectres électromagnétiques qui étaient émis par des radiateurs thermiques appelés corps noirs. Les physiciens ont lutté sans succès contre ce problème pendant de nombreuses années. Il sera plus tard connu sous le nom de « catastrophe des ultraviolets ». En 1900, Max Planck a élaboré une nouvelle théorie du rayonnement des corps noirs qui explique le spectre observé. La théorie de Planck reposait sur l’idée que les corps noirs n’émettent de la lumière (et d’autres rayonnements électromagnétiques) que sous forme de paquets d’énergie discrets. Ces paquets étaient appelés quanta. En 1905, Albert Einstein a proposé que les quanta de lumière soient considérés comme de véritables particules. Plus tard, la particule de lumière a reçu le nom de photon, pour correspondre aux autres particules décrites à cette époque, comme l’électron et le proton. Un photon possède une énergie, E, proportionnelle à sa fréquence, f, par
E = h f = h c λ {\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}.
où h est la constante de Planck, λ {\displaystyle \lambda }
est la longueur d’onde et c est la vitesse de la lumière. Cette équation est parfois connue sous le nom d’équation de Planck-Einstein. En théorie quantique (voir première quantification), l’énergie des photons est donc directement proportionnelle à la fréquence de l’onde EMR.
De même, la quantité de mouvement p d’un photon est également proportionnelle à sa fréquence et inversement proportionnelle à sa longueur d’onde :
p = E c = h f c = h λ . {\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.}
La source de la proposition d’Einstein selon laquelle la lumière était composée de particules (ou pouvait agir comme des particules dans certaines circonstances) était une anomalie expérimentale non expliquée par la théorie des ondes : l’effet photoélectrique, dans lequel la lumière frappant une surface métallique éjectait des électrons de la surface, provoquant un courant électrique à travers une tension appliquée. Des mesures expérimentales ont démontré que l’énergie des électrons individuels éjectés était proportionnelle à la fréquence, plutôt qu’à l’intensité, de la lumière. En outre, en dessous d’une certaine fréquence minimale, qui dépendait du métal en question, aucun courant ne circulait, quelle que soit l’intensité. Ces observations semblaient contredire la théorie des ondes et, pendant des années, les physiciens ont tenté en vain de trouver une explication. En 1905, Einstein a expliqué cette énigme en ressuscitant la théorie particulaire de la lumière pour expliquer l’effet observé. Cependant, en raison de la prépondérance des preuves en faveur de la théorie ondulatoire, les idées d’Einstein ont d’abord été accueillies avec beaucoup de scepticisme par les physiciens établis. Finalement, l’explication d’Einstein a été acceptée alors que de nouveaux comportements de la lumière semblables à ceux des particules ont été observés, comme l’effet Compton.
Lorsqu’un photon est absorbé par un atome, il excite l’atome, élevant un électron à un niveau d’énergie plus élevé (un niveau qui est en moyenne plus éloigné du noyau). Lorsqu’un électron d’une molécule ou d’un atome excité descend à un niveau d’énergie inférieur, il émet un photon de lumière à une fréquence correspondant à la différence d’énergie. Comme les niveaux d’énergie des électrons dans les atomes sont discrets, chaque élément et chaque molécule émet et absorbe ses propres fréquences caractéristiques. L’émission immédiate de photons est appelée fluorescence, un type de photoluminescence. Un exemple est la lumière visible émise par les peintures fluorescentes, en réponse aux ultraviolets (lumière noire). De nombreuses autres émissions fluorescentes sont connues dans des bandes spectrales autres que la lumière visible. L’émission retardée est appelée phosphorescence.
Dualité onde-particuleModifier
La théorie moderne qui explique la nature de la lumière inclut la notion de dualité onde-particule. Plus généralement, cette théorie stipule que tout possède à la fois une nature particulaire et une nature ondulatoire, et diverses expériences peuvent être réalisées pour mettre en évidence l’une ou l’autre. La nature particulaire est plus facilement discernable à l’aide d’un objet de grande masse. Une proposition audacieuse de Louis de Broglie en 1924 a conduit la communauté scientifique à réaliser que la matière (par exemple les électrons) présente également une dualité onde-particule.
Effets d’onde et de particule du rayonnement électromagnétiqueEdit
Ensemble, les effets d’onde et de particule expliquent entièrement les spectres d’émission et d’absorption du rayonnement EM. La composition en matière du milieu traversé par la lumière détermine la nature du spectre d’absorption et d’émission. Ces bandes correspondent aux niveaux d’énergie autorisés dans les atomes. Les bandes sombres du spectre d’absorption sont dues aux atomes d’un milieu intermédiaire entre la source et l’observateur. Les atomes absorbent certaines fréquences de la lumière entre l’émetteur et le détecteur/oeil, puis les émettent dans toutes les directions. Une bande sombre apparaît au niveau du détecteur, en raison de la radiation diffusée hors du faisceau. Par exemple, les bandes sombres dans la lumière émise par une étoile lointaine sont dues aux atomes de l’atmosphère de l’étoile. Un phénomène similaire se produit pour l’émission, qui est observée lorsqu’un gaz émetteur brille en raison de l’excitation des atomes par un mécanisme quelconque, y compris la chaleur. Au fur et à mesure que les électrons descendent vers des niveaux d’énergie inférieurs, un spectre est émis qui représente les sauts entre les niveaux d’énergie des électrons, mais des raies sont observées car, là encore, l’émission ne se produit qu’à des énergies particulières après l’excitation. Le spectre d’émission des nébuleuses en est un exemple. Les électrons qui se déplacent rapidement sont plus fortement accélérés lorsqu’ils rencontrent une région de force, ils sont donc responsables de la production d’une grande partie du rayonnement électromagnétique de plus haute fréquence observé dans la nature.
Ces phénomènes peuvent aider diverses déterminations chimiques pour la composition des gaz éclairés par l’arrière (spectres d’absorption) et pour les gaz incandescents (spectres d’émission). La spectroscopie permet (par exemple) de déterminer quels éléments chimiques composent une étoile particulière. La spectroscopie est également utilisée dans la détermination de la distance d’une étoile, en utilisant le décalage vers le rouge.
Vitesse de propagationModifier
Lorsqu’un fil quelconque (ou un autre objet conducteur tel qu’une antenne) conduit un courant alternatif, un rayonnement électromagnétique se propage à la même fréquence que le courant. Dans de nombreuses situations de ce type, il est possible d’identifier un moment dipolaire électrique qui résulte de la séparation des charges due au potentiel électrique d’excitation, et ce moment dipolaire oscille dans le temps, lorsque les charges vont et viennent. Cette oscillation à une fréquence donnée donne lieu à des champs électriques et magnétiques changeants, qui mettent alors en mouvement le rayonnement électromagnétique.
Au niveau quantique, le rayonnement électromagnétique est produit lorsque le paquet d’ondes d’une particule chargée oscille ou s’accélère autrement. Les particules chargées dans un état stationnaire ne se déplacent pas, mais une superposition de tels états peut aboutir à un état de transition qui présente un moment dipolaire électrique oscillant dans le temps. Ce moment dipolaire oscillant est responsable du phénomène de transition radiative entre les états quantiques d’une particule chargée. De tels états se produisent (par exemple) dans les atomes lorsque des photons sont rayonnés lorsque l’atome passe d’un état stationnaire à un autre.
En tant qu’onde, la lumière est caractérisée par une vitesse (la vitesse de la lumière), une longueur d’onde et une fréquence. En tant que particules, la lumière est un flux de photons. Chacun a une énergie liée à la fréquence de l’onde donnée par la relation de Planck E = hf, où E est l’énergie du photon, h est la constante de Planck, 6,626 × 10-34 J-s, et f est la fréquence de l’onde.
Une règle est respectée quelles que soient les circonstances : Le rayonnement EM dans le vide se déplace à la vitesse de la lumière, par rapport à l’observateur, quelle que soit la vitesse de ce dernier. (Cette observation a conduit à l’élaboration par Einstein de la théorie de la relativité restreinte.)Dans un milieu (autre que le vide), on considère le facteur de vitesse ou l’indice de réfraction, selon la fréquence et l’application. Ces deux facteurs sont des rapports entre la vitesse dans un milieu et la vitesse dans le vide.
Théorie spéciale de la relativitéModifier
À la fin du XIXe siècle, diverses anomalies expérimentales ne pouvaient être expliquées par la simple théorie des ondes. L’une de ces anomalies impliquait une controverse sur la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière et des autres DME prédite par les équations de Maxwell n’apparaissait pas à moins que les équations ne soient modifiées d’une manière suggérée pour la première fois par FitzGerald et Lorentz (voir l’histoire de la relativité restreinte), ou sinon cette vitesse dépendait de la vitesse de l’observateur par rapport au « milieu » (appelé éther luminiferous) qui était censé « porter » l’onde électromagnétique (d’une manière analogue à la façon dont l’air porte les ondes sonores). Les expériences n’ont pas permis de trouver un quelconque effet de l’observateur. En 1905, Einstein a proposé que l’espace et le temps semblent être des entités dont la vitesse change pour la propagation de la lumière et tous les autres processus et lois. Ces changements expliquaient la constance de la vitesse de la lumière et de tout le rayonnement électromagnétique, du point de vue de tous les observateurs – même ceux qui sont en mouvement relatif.