Chap. 3 :
Chap. 3 : Ondes électromagnétiques
( )
y
cos
yE G = E ω t − kx u JJG
( )
z
cos
zB G = B ω t − kx u JJG
)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 = 3 108 m/s
) Une onde électomagnétique se propage à partir d’un point source où est produit
un champ électrique oscillant :
et une induction magnétique oscillante:
) La fréquence de la vibration électromagnétique (en Hertz) : f =
ω/2π
) La longueur d’onde (en mètre) est donnée par :
λ
= c / f) Le vecteur d’onde est : avec :
k // Ox E B |k|
=2π/λ 1) Structure et propagation
JJG ⊥ ⊥ JG JG G
voir le site : http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/oem1.html
) Le spectre des ondes électro- magnétiques s’étend
depuis les Ondes radio (λ >1m) jusqu’aux
Rayons cosmiques (λ < 10-13m), ) 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
2) Les ondes électromagnétiques : une grande famille de rayon-
nements qui se différentient par leurs longueurs d’onde λ
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Ch. 3 : Ondes
Ch. 3 : Ondes éélecromagnlecromagnétiquesétiques
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 Ey > 0
Aux instants t = T/2, 3T/2, … le long de l’axe Ox,
le champ électrique Ey < 0
+
+
- -
x x
Ey
Ey
) 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) Polarisation d’une onde électromagnétique
)Si le champ électrique (et l’induction magnétique) gardent une direction fixe (Ez=0 et By=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
-> 2 sens de rotation suivant le signe ± E0 (« circulaire droite » ou « circulaire gauche »)
( )
( )
0
0
cos sin
y
z
E E t kx
E E t kx
ω ω
= −
= ± −
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 λm et la couleur apparente de la source dépendent de sa température absolue T:
λm= B / T (loi de Wien)
Les étoiles ont des couleurs apparentes
qui dépendent leur température (de surface)
Ch. 3 : Ondes
Ch. 3 : Ondes éélecromagnlecromagnétiquesétiques
5) Sources de lumière
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)
Ch. 3 : Ondes
Ch. 3 : Ondes éélecromagnlecromagnétiquesétiques
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
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
Ch. 3 : Ondes
Ch. 3 : Ondes éélecromagnlecromagnétiquesétiques
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 Iθ= ΔΦ/ΔΩ (en candela ) mesure le flux
lumineux ΔΦ émis par unité d’angle solide ΔΩ, dans la direction uθ.
NB : en un point donné, l’intensité lumineuse est proportionnelle au carré de l’amplitude du champ électrique : Iθ~ Ey2
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
8) Le photon : onde électromagnétique et quantum d’énergie
) Une transition atomique du niveau d’énergie Ei vers le niveau Ef se produit par émission d’un photon si Ei> Ef
ou encore absorption d’un photon si Ei < Ef
) L’énergie E du photon est reliée à la fréquence f et à la longueur d’onde λ par la formule de Planck :
E = Ei- Ef = 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)
