Onde électromagnétique
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2008-07-19T11:28:50Z
Sherbrooke
18624
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L''''onde électromagnétique''' est un modèle utilisé pour représenter les [[Rayonnement électromagnétique|rayonnements électromagnétiques]]. Elle est associée à la notion de [[photon]].
Il convient de bien distinguer :
* le rayonnement électromagnétique, qui est le phénomène étudié, et
* l'onde électromagnétique, qui est une des représentations du phénomène.
Une onde lumineuse est une onde électromagnétique dont la longueur d'onde correspond au [[spectre visible]], soit entre 380 et 780 nm soit 1.5 à 3 eV.
== Description ==
Comme toutes les [[onde]]s, une onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l'[[analyse spectrale]] ; on peut décomposer l'onde en ondes dites « monochromatiques » (voir aussi ''[[Spectre d'ondes planes]]'').
[[Image:Onde electromagnetique.svg|thumb|left|400px|onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant (Le trièdre (<math>\vec{k}</math>,<math>\vec{E}</math>,<math>\vec{B}</math>) doit être direct)]]
Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un [[dipôle électrostatique]] vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la [[diffusion Rayleigh]] (modèle de l'électron élastiquement lié).
Les variations des champs électrique et magnétique sont liées par les [[équations de Maxwell]], on peut donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique. On peut alors écrire l'équation générale d'une '''onde plane monochromatique''' :
: <math>\vec{E}(\vec{r},t) = \cos(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r} + \varphi) \cdot \vec{E}_0</math>
où
* <math>\omega </math> est la pulsation et vaut <math>\frac{2 \pi c}{\lambda}</math>
* <math>\vec{r}</math> est le vecteur position du point considéré,
* <math>\vec{k}</math> est le [[vecteur d'onde]] dont la norme vaut <math>\frac{2\pi}{\lambda}</math> <ref>ce vecteur est parfois défini par 1/λ, l'équation de l'onde est alors<br /> <math>\vec{E}(\vec{r},t) = \cos(\omega t - 2\pi \vec{k} \cdot \vec{r} + \varphi) \cdot \vec{E}_0</math></ref>, <math>\lambda</math> étant la [[longueur d'onde]] ;
* <math>\varphi</math> est la [[Phase (onde)|phase]] à l'origine.
On utilise aussi fréquemment la forme [[nombre complexe|complexe]] :
: <math>\vec{E}(\vec{r},t) = e^{i \cdot (\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r} + \varphi)} \cdot \vec{E}_0</math>
On obtiendra alors les grandeurs physiques, réelles, en prenant la partie réelle de cette forme complexe.
== Propriétés ==
=== [[Polarisation (optique)|Polarisation]] ===
La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique <math>\vec{E}</math>. Pour une onde non polarisée, ou naturelle, <math>\vec{E}</math> tourne autour de son axe de façon aléatoire et imprévisible au cours du temps. Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au champ électrique. Il y a plusieurs sortes de polarisation:
* La polarisation linéaire quand <math>\vec{E}</math> reste toujours dans le même plan.
* La polarisation circulaire, le champ magnétique tourne autour de son axe en formant un cercle.
* La polarisation elliptique, le champ magnétique tourne autour de son axe et change d'amplitude pour former une ellipse.
=== Comportement ondulatoire ===
; Propagation
: Dans un milieu homogène et [[isotrope]], l'onde électromagnétique se propage en ligne droite. Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction ; lors d'un changement de milieu, il y a réflexion et réfraction, il y a aussi réfraction si les propriétés du milieu changent selon l'endroit (hétérogénéité). Voir aussi ''[[Principe de Huygens-Fresnel]]''.
; [[Réflexion optique|Réflexion]]
: Lors d'un changement de milieu de propagation, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine, c'est la réflexion.
: Le cas le plus connu de la réflexion est le [[miroir]], mais celle-ci concerne également les rayons X ([[miroir à rayons X]]) et les ondes radio : [[Propagation des ondes radio#Réflexion des ondes radio|réflexion sur la ionosphère des ondes mégahertz]], [[antenne parabolique]], [[Earth-Moon-Earth|réflexion sur la Lune]]…
; [[Réfraction]]
: Lors d'un changement de milieu de propagation, si le second milieu est transparent pour l'onde, celle-ci se proprage dans le second milieu mais avec une direction différente. Cela concerne la lumière ([[lentille optique]], [[mirage]]), mais aussi les ondes radio ([[Propagation des ondes radio#Réfraction des ondes radio|réfraction des ondes décamétriques dans la ionosphère]]).
; [[Diffusion des ondes|Diffusion]]
: Lorsqu'une onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci, elle change de direction. On distingue la [[diffusion Rayleigh]], dite « diffusion électronique », au cours de laquelle l'onde ne change pas de longueur d'onde, la [[diffusion Raman]] qui est une diffusion électronique avec diminution ou augmentation de longueur d'onde, et la [[diffusion Compton]], dans le cas des rayons X diffusant sur des atomes légers, au cours de laquelle la longueur d'onde augmente.
; [[Interférence]]s
: Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent interférer. Dans le cas des [[radiocommunication]]s, cela provoque un parasitage du signal (voir aussi ''[[Rapport signal sur bruit]]'').
; [[Diffraction]]
: L'interférence d'ondes diffusées porte le nom de diffraction :
:* [[théorie de la diffraction]] ;
:* [[diffraction par une fente]] ;
:* [[fentes de Young]] ;
:* [[réseau de diffraction]] ;
:* [[diffraction de rayons X]] ;
:* [[espace réciproque]].
; [[Flux]] d'énergie
: Le flux d'énergie à travers une surface est donné par le flux du [[vecteur de Poynting]].
=== [[Dualité onde-particule|Dualité onde-corpuscule]] ===
La notion d'onde électromagnétique est complémentaire de celle de photon. En fait, l'onde fournit une description plus pertinente de la radiation pour les faibles fréquences (c'est-à-dire les grandes longueurs d'onde) comme les ondes radio.
En fait, l'onde électromagnétique représente deux choses :
* la variation macroscopique du [[champ électrique]] et du [[champ magnétique]] ;
* la [[fonction d'onde]] du photon, c'est-à-dire que la norme au carré de l'onde est la probabilité de présence d'un photon.
Lorsque le flux d'énergie est grand devant l'énergie des photons, on peut considérer que l'on a un flux quasi-continu de photons, et les deux notions se recouvrent. Ceci n'est plus vrai lorsque le flux d'énergie est faible (on envoie les photons un par un), la notion de « variation macroscopique » (moyenne) n'a alors plus de sens.
Le [[flux]] d'énergie est donné par le [[vecteur de Poynting]]. Chaque photon « emporte » une quantité d'énergie déterminée, valant ''E'' = ''h''·ν, ''h'' étant la [[constante de Planck]] et ν la fréquence. On peut ainsi calculer le flux de photons à travers une surface.
== Historique ==
La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par [[Christiaan Huygens]] dans les [[années 1670]], et par [[Augustin Fresnel]]. Elle s'opposait à l'époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par [[René Descartes]]. Huygens travaillait principalement sur les lois de [[Réflexion (optique)|réflexion]] et de [[réfraction]], Fresnel développa notamment les notions d'[[interférence]] et de [[longueur d'onde]]. Les approches ondulatoires et corpusculaires furent réunies par [[Albert Einstein]] lorsque celui-ci établit le modèle du [[photon]] en [[1905]], dans ses travaux sur l'[[effet photo-électrique]].
La grande avancée théorique fut la synthèse des lois de l'électromagnétisme par [[James Clerk Maxwell]]. Les [[équations de Maxwell]] prédisaient la vitesse des ondes électromagnétiques, et la mesure de la [[vitesse de la lumière]] démontra que la lumière était de nature électromagnétique.
Les [[radioélectricité|ondes radio]], à basse fréquence et grande longueur d'onde, furent découvertes à la fin du {{XIXe siècle}} avec les travaux notamment d'[[Alexandre Popov (physicien)|Alexandre Popov]], [[Heinrich Rudolf Hertz|Heinrich Hertz]], [[Édouard Branly]] et de [[Nikola Tesla]]. Les [[rayons X]], à haute fréquence et faible longueur d'onde, furent découverts par [[Wilhelm Röntgen]] en [[1895]].
== Notes ==
<references />
== Voir aussi ==
{{Wikiversity|Onde électromagnétique}}
* [[Spectre électromagnétique]]
* [[Sensibilité électromagnétique]]
* [[Propagation des ondes radio]]
{{Portail physique}}
[[catégorie:électromagnétisme]]
[[catégorie:optique ondulatoire]]
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[[zh:电磁波]]