Les Ondes électromagnétiques

Bonjour à tous, aujourd’hui dans ScienceClic, les ondes électromagnétiques. Imaginons une particule qui possède une charge électrique. De par sa charge, la particule génère autour d’elle un champ électrique. Ce champ électrique est statique. Il ne varie pas au cours du temps, du fait que la charge reste immobile. Mais imaginons maintenant qu’on accélère cette charge, de sorte à la mettre en mouvement. Au moment de l’accélérer, la particule va acquérir une certaine vitesse. D’après la relativ

ité restreinte, cette vitesse, que vient d’acquérir la particule, entraîne l’apparition d’un champ magnétique autour d’elle. Mais les champs électrique et magnétique sont intimement liés, ils sont les deux facettes d’un seul et même objet, le champ électromagnétique, et ils vont par conséquent interagir l’un avec l’autre. En particulier, le champ magnétique qui vient  d’apparaître, va perturber le champ électrique. Cette perturbation du champ électrique va à son tour venir perturber le cham

p magnétique. De proche en proche, petit à petit, les champs électrique et magnétique vont s’influencer, et varier l’un après l’autre, perturbation après perturbation. De cette façon, le mouvement qu’on a infligé à la particule, va se répercuter dans tout l’espace, petit à petit, se propageant à la vitesse de la lumière à travers les champs électrique et magnétique. C’est ce phénomène qu’on appelle une onde électromagnétique. En fonction de l’accélération  de la particule qui la génère, une o

nde électromagnétique va être plus ou moins énergétique. On peut ainsi classifier les ondes en plusieurs catégories d’énergie, en fonction de la fréquence à laquelle elles oscillent. On y trouve notamment la lumière visible, avec les différentes couleurs de l’arc-en-ciel, mais pas seulement. Les infrarouges, les ultraviolets, les micro-ondes, les rayons X, les ondes radio, ou encore les rayons gamma, toutes ces ondes que l’on ne peut pas voir avec nos yeux, sont pourtant elles aussi des ondes

électromagnétiques. La grande majorité de ces rayonnements nous est invisible, mais avec nos technologies actuelles, il est possible de concevoir des caméras spéciales et des instruments de mesure de sorte à les détecter, ou à les émettre. C’est ce qui est exploité pour les fours à micro-ondes, les télécommunications et autres transmissions à distance, mais aussi l’astronomie et les télescopes spatiaux. Les astronomes observent  l’univers avec différents types d’ondes, car on peut ainsi s’en

faire une image  beaucoup plus large et détaillée, comparée à ce qu’on peut voir en se  restreignant uniquement à la lumière visible. Dans la nature, les ondes électromagnétiques sont présentes partout. Dès lors que des particules chargées s’agitent, changent de vitesse, ou de direction, elles génèrent de telles ondes, qui vont se propager dans l’univers. Notamment, tous les objets qui possèdent une température émettent de tels rayonnements. Pour comprendre,  il est nécessaire de se plonger

à l’échelle microscopique. Ici, la température d’un objet  correspond à l’agitation des atomes. Mais les atomes sont composés de deux parties, un noyau de charge électrique positive, et un nuage d’électrons de charge négative. En s’agitant, les atomes vont faire vibrer leurs nuages électroniques. Ceux-ci se comportent un peu comme s’ils étaient reliés au noyau par un élastique. En vibrant, toutes ces charges électriques sont donc constamment en train d’accélérer et de changer de direction. Les

atomes vont ainsi émettre des ondes électromagnétiques, qui sont d’autant plus énergétiques que la température de l’objet est élevée. Le corps humain par exemple, dont la température est d’environ 37°C, est en permanence en train d’émettre des rayonnements infrarouges. Ces ondes ne sont pas visibles par nos yeux, on ne voit pas les autres humains briller, mais on peut les détecter avec des caméras thermiques. Une particularité très intéressante des ondes électromagnétiques est ce qu’on appe

lle leur polarisation. Comme on l’a vu précédemment, les nuages électroniques au sein des atomes se comportent un peu comme s’ils étaient reliés au noyau par un élastique. Quand les atomes sont agités, les nuages électroniques vont vibrer autour des noyaux dans toutes les directions, et les ondes qui sont générées vont avoir une forme très chaotique. On dit que ce type d’onde n’est pas polarisé. Imaginons qu’on envoie une onde de cette forme sur une particule chargée. Sous son passage, la p

articule va subir une force car elle interagit avec les champs électriques et magnétiques qui composent l’onde. Elle va alors se mettre à vibrer de la même façon que l’onde, et donc de la même façon que les atomes qui l’ont générée. C’est de cette façon par exemple que le Soleil est en mesure de réchauffer l’atmosphère terrestre depuis des millions de kilomètres. Sa chaleur se transmet  depuis sa surface jusqu’à notre atmosphère, par le biais des ondes électromagnétiques  qui se propagent da

ns le vide. Mais dans certaines situations, il est possible de faire vibrer les atomes d’une façon beaucoup plus contrôlée. Au lieu de prendre des trajectoires chaotiques, les nuages électroniques vont alors vibrer de trois façons possibles. Pour comprendre, imaginons une bille, posée sur une table, et qui serait reliée à un clou à l’aide d’un élastique très tendu. Imaginons qu’on lance la bille, avec des vitesses différentes. On observe que sa trajectoire va le plus souvent former des elli

pses, et quelques fois deslignes droites, ou des cercles parfaits. Au sein des atomes, les nuages électroniques sont attirés par les noyaux de la même façon que la bille est attirée vers le clou. Ainsi, ils vont eux aussi pouvoir vibrer de ces trois façons possibles, et de la sorte générer des ondes électromagnétiques très propres, avec une forme bien régulière et répétitive. On dit que ces ondes sont polarisées, avec une polarisation rectiligne, elliptique, ou circulaire. Les antennes radio

par exemple, font osciller des atomes selon l’axe de l’antenne. Elles génèrent ainsi des ondes très propres, qui oscillent de façon régulière, et avec une polarisation rectiligne. En ce qui concerne la lumière, sa polarisation  n’est pas directement visible à l'œil nu. En effet, nos yeux ne sont sensibles qu’à l’intensité lumineuse, mais pas à la direction des champs électriques et magnétiques. Cela dit, c’est une propriété très importante, qui va influencer la façon dont la lumière  intera

git avec les objets. Il existe en particulier des filtres qui permettent d’absorber certaines polarisations plutôt que d’autres. On appelle ces filtres des polariseurs. Ils sont notamment utilisés pour la technologie du cinéma 3D, où on peut ainsi projeter deux images simultanément, avec deux polarisations différentes, et concevoir des lunettes avec des verres polariseurs qui ne vont faire passer qu’une seule des deux polarisations, et donc une seule des deux images, pour chaque oeil. Enfin,

les ondes électromagnétiques étant des ondes, elles évoluent dans l’espace et réagissent avec la matière selon des phénomènes bien particuliers. Tout d’abord, comme toutes les ondes, elles s’ajoutent les unes avec les autres. En particulier, si on superpose deux bosses, on va obtenir une bosse deux fois plus grande, alors que si on superpose une  onde avec son exact opposé, les deux vont parfaitement s’annuler de sorte à n’avoir plus aucune onde finale. On appelle ce principe de superposit

ion des ondes, les interférences. Les interférences des ondes sont notamment à la base du phénomène de diffraction, qu’on observe quand une onde rencontre un petit obstacle, ou qu’elle passe à travers une fente très fine. Ensuite, comme on l’a vu précédemment, lorsqu’elle traverse un milieu transparent composé d’atomes, l’onde électromagnétique va générer une force sur les nuages électroniques, de sorte à les mettre en mouvement. Ces vibrations au sein des atomes vont  elles-mêmes émettre des

ondes, qui se propagent dans toutes les directions, et qui partagent à peu près les mêmes caractéristiques que l’onde initiale. Ainsi, même si on l’éclaire selon une certaine direction, le milieu va produire de la lumière qui se diffuse dans toutes les directions, c’est ce qu’on appelle la diffusion. L’atmosphère de la Terre est un très bon exemple pour illustrer le phénomène de diffusion. L’atmosphère en elle-même n’a pas vraiment de  couleur, c’est un milieu transparent. Mais le Soleil en

voie constamment des rayonnements électromagnétiques vers notre planète, et en particulier de la lumière blanche, qui est composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Au passage de ces ondes, les atomes qui composent l’air vont se mettre à vibrer, et ainsi à diffuser la lumière dans toutes les directions. Mais le phénomène de diffusion est d’autant plus puissant que l’onde est énergétique. Les teintes rouges, jaunes, et vertes, correspondent à des ondes relativement faibles, tandis que

les teintes bleues possèdent davantage d’énergie. Ce sont donc les ondes de couleur bleue qui vont davantage faire vibrer les électrons, et donc se diffuser, et c’est pour  cette raison que le ciel nous apparaît bleu. Pour finir, lorsqu’on envoie une onde  électromagnétique sur un matériau, par exemple de l’eau, une partie de l’onde  va continuer son chemin dans la matière, tandis que l’autre partie va  rebondir dans l’autre sens. On dit que l’onde est réfractée dans un sens, et réfléchie dan

s l’autre sens. D’une part, commençons par nous pencher sur le phénomène de réflexion. Quand on envoie de la lumière sur un matériau conducteur, comme le métal à la surface d’un miroir, certains électrons à la surface ne sont pas liés aux atomes. C’est ce qui donne au métal sa capacité à conduire l’électricité. Mais au passage de l’onde lumineuse, les champs électromagnétiques qui la composent vont venir mettre en mouvement  ces électrons libres. De cette façon, des courants électriques vont

apparaître à la surface, et ces courants reproduisent parfaitement la forme de l’onde incidente. Les mouvements de ces électrons  à la surface du métal vont à leur tour générer une onde, similaire à l’onde incidente, mais qui se propage des deux côtés de la surface. En haut, cette onde correspond à l’onde réfléchie, quand on se regarde dans un miroir, c’est cette onde, qui est générée par les courants  électriques dans le métal, que l’on va voir. Et en bas, l’onde générée par les courants éle

ctriques est parfaitement opposée à l’onde incidente. Les deux vont donc interférer, de sorte à annuler l’onde initiale. D’autre part, la portion d’onde qui a réussi à traverser la surface de l’eau, semble bizarrement se propager dans une direction légèrement différente, et surtout se déplacer plus lentement. C’est ce qu’on appelle la réfraction. La réfraction est un phénomène complexe, qui est dû encore une fois à la superposition de plusieurs ondes. Au passage de l’onde incidente, les ato

mes et leurs nuages électroniques vont se mettre à vibrer dans l’eau, de sorte à émettre des nouvelles ondes  qui vont s’additionner à l’onde de départ. Mais ces nouvelles ondes sont légèrement  décalées par rapport à l’onde incidente, et ceci va avoir pour effet de ralentir le faisceau lumineux dans sa globalité. Il est important de comprendre que la vitesse de la lumière, en soi, n’a pas changé. Les champs électromagnétiques réagissent toujours à la même vitesse, et chacune des ondes généré

es par les atomes se déplace à la vitesse de la lumière. Mais le faisceau lumineux, qui prend en compte la somme de toutes les ondes, ralentit bel et bien, du fait de toutes ces superpositions. Un faisceau de lumière se propage donc moins vite dans certains matériaux, que dans le vide, et il est possible pour des particules  de dépasser la vitesse de la lumière, ou plutôt de dépasser la vitesse de propagation  d’un faisceau lumineux au sein d’un matériau. A la façon du bang qui se produit lo

rsqu’un avion dépasse la vitesse du son, ce phénomène entraîne l’apparition d’un flash de lumière, c’est ce qu’on appelle l’effet Tcherenkov, et c’est une méthode utilisée aujourd’hui par les scientifiques pour détecter les neutrinos.