1. Lumière et rayonnement

Ondes électromagnétiques   (1/4)

Le titre de ce paragraphe suggère que les ondes lumineuses ont quelque chose à voir avec l'électricité et le magnétisme. C'est effectivement une des conclusions les plus importantes de la physique classique du 19^ème siècle. Comment est-ce arrivé ?

• L'électricité a été connue depuis le temps des Grecs anciens. Le mot électron vient du mot grec ηλεκτρον qui signifie ambre. Le frottement d'un morceau d'ambre avec une fourrure produit des charges électriques qui attirent des plumes et peuvent créer des étincelles quand on l'approche d'un objet relié à la terre. Les minéraux magnétiques étaient également connus à l'époque pour leur pouvoir d'attraction sur les objets en fer.
• En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted découvrit une connexion entre l'électricité et le magnétisme: un courant électrique passant dans un fil pouvait détourner une aiguille de boussole de son orientation. Effectivement, un courant électrique génère un champ magnétique autour du fil, champ qui excerce des forces sur les objets magnétiques. Cette découverte a signé la naissance de l'électrodynamique.
• En 1831, le physicien anglais Michael Faraday constata qu'un aimant en mouvement provoquait un courant électrique dans un fil. Il montra que les champs magnétiques variables généraient des champs électriques autour des lignes de champ magnétique.
• Finalement en 1856, James Clerk Maxwell tenta de réunir toutes les trouvailles de ces différents chercheurs dans une théorie simple. Les équations de Maxwell expliquent les charges électriques en tant que source de champs électriques, tandis que les charges magnétiques n'existent pas. Au lieu de cela les champs magnétiques sont provoqués par des courants électriques ou des champs électriques variables dans le temps. En suivant le même raisonnement, les champs magnétiques variables dans le temps peuvent également générer des champs électriques. Cela semble assez complexe. Mais la formulation mathématique de cette théorie est assez directe et produit des équations qui sont très symétriques en ce qui concerne les champs magnétiques ou électriques. Ces équations sont considérées comme parmi les plus belles équations de la physique ! Pour les comprendre, tu auras besoin de bases en calcul différentiel et intégral, ce qui n'est peut être pas encore le cas. Tu en apprendras plus dans tes cours de physique ou de mathématiques. Tu peux consulter les équations de Maxwell dans le supplément 1.1 (disponible en anglais).

Qu'est-ce que tout cela a à voir avec les ondes électromagnétiques ? Et bien, souviens-toi que les charges électriques et les courants provoquent des champs électriques et magnétiques. Ces champs ne peuvent exister sans charges ou courants. Mais il existe une exception: un champ électrique couplé à un champ magnétique, tous deux variables dans le temps, peuvent exister sans que la présence de charges ou de courants soit nécéssaire ! Cette oscillation couplée d'un champ électrique et d'un champ magnétique s'appelle une onde électromagnétique.

Avec les équations de Maxwell, on peut montrer que les vecteurs des champs électriques et les vecteurs des champs magnétiques sont toujours perpendiculaires les uns aux autres. Ces deux types de vecteurs sont tous les deux perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. C'est pourquoi les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales.

Le caractère transversal des ondes électromagnétiques est représenté dans le graphique ci-dessous.

Une onde plane monochromatique se propageant de gauche à droite le long de l'axe des x.

Le graphe ci-dessus montre une onde plane monochromatique, le type d'onde le plus élémentaire. Jette un coup d'oeil à la manière dans l'onde se propage dans cette animation. Qu'est-ce qu'une onde plane monochromatique ?

• Les ondes planes monochromatiques ne se propagent que dans une direction, ici: le long de l'axe des x.
• Les ondes planes monochromatiques ne possèdent qu'une valeur de longueur d'onde et de période (et donc de fréquence), comme cela a été montré sur la page précédente.

Evidemment, les ondes qui possèdent ce genre de comportements idéaux sont difficiles à rencontrer dans la vie de tous les jours. La lumière du jour ou la lumière des lampes se compose d'un mélange de différentes ondes qui ont différentes longueurs d'onde, différentes amplitudes et dont la trajectoire diffère. Des ondes planes monochromatiques presque parfaites peuvent être produites par des lasers. Le principe des lasers et les caractéristiques du rayonnement laser sont décrits dans le SEOS tutoriel sur Télédétection par laser (en anglais).