Généralités sur les ondes électromagnétiques

Historique

La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Christian Huygens dans les années 1670, puis par Augustin Fresnel. Elle s’opposait à l’époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par Isaac Newton. Huygens travaillait principalement sur les lois de réflexion et de réfraction, Fresnel développa notamment les notions d’interférence et de longueur d’onde. La conception de la lumière comme ondulation incita les physiciens à imaginer un milieu de propagation, l’éther. La grande avancée théorique fut la synthèse des lois de l’électromagnétisme par Maxwell, ses équations prédisaient l’existence d’ondes électromagnétiques, et leur vitesse, permettant l’hypothèse que la lumière est une onde électromagnétique. Les 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, Heinrich Hertz, Edouard Branly et de Nikola Tesla. Les rayons X, à haute fréquence et faible longueur d’onde, furent découverts par Wilhelm Röntgen en 1895.

Définition d’onde électromagnétique

Définition 1
C’est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements électromagnétiques. 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 autre représentation prend en compte l’existence du photon.

Définition 2
Une onde électromagnétique est le résultat de la vibration couplée d’un champ électrique et d’un champ magnétique variable dans le temps. Une onde électromagnétique est susceptible de se propager dans l’air comme dans le vide. Elle est capable de transporter des informations.

Sources d’ondes électromagnétiques

Les sources naturelles
– Les étoiles et le Soleil (émission de lumière et d’ondes électromagnétiques variées)
– L’atmosphère (présence de charges électriques dans les nuages)
– Les courants magmatiques (champ magnétique terrestre)
– Les cellules vivantes (cœur, cerveau, etc…) .

Les sources artificielles
– Les antennes (antenne de téléphonie mobile, antenne radio, émetteur TV…) et les radars
– Les appareils électroménagers : four à micro-ondes, plaque à induction, …
– Les lignes à haute tension
– Les dispositifs médicaux (IRM, radiologie,..). .

Rayonnements électromagnétiques 

Le rayonnement électromagnétique désigne une forme de transfert d’énergie linéaire. La lumière visible est un rayonnement électromagnétique. Mais ne constitue qu’une petite tranche du large spectre électromagnétique. La propagation de ce rayonnement, d’une ou plusieurs particules, donne lieu de nombreux phénomènes comme l’atténuation, l’absorption, la diffraction et la réfraction, le décalage vers le rouge, les interférences, les échos, les parasites électromagnétiques et les effets biologiques. Le rayonnement électromagnétique peut être décrit de manière corpusculaire comme le propagation de photons (ou de manière ondulatoire comme une onde électromagnétique) . Il se manifeste sous la forme d’un champ électrique couplé à un champ magnétique.

Spectre visible

C’est la partie du spectre électromagnétique visible pour l’humain. Le spectre d’une lumière est la décomposition en composantes monochromatiques de la lumière.

Longueur d’onde et fréquence

La notion d’une onde électromagnétique se définit par deux critères la fréquence et la longueur d’onde. Le rayonnement électromagnétique est une série d’ondes très régulières qui progressent à une vitesse égale à la vitesse de la lumière. On peut traduire la longueur d’une onde par la distance parcourue par celle ci pendant une période tandis que la fréquence traduit le nombre d’oscillations ou de cycles par seconde. Plus la longueur d’onde est courte plus la fréquence est élevée, donc c’est une relation inversement proportionnelle.

Nombre d’onde

La quantité d’ondes incluses dans une longueur d’onde donnée représente le nombre d’ondes qui est une grandeur proportionnelle au nombre d’oscillations par une unité de longueur : c’est le nombre de longueurs d’onde présentes sur une distance d’unité de longueur. Le nombre d’onde est donc une grandeur inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

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).

• 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 : réflexion sur la ionosphère :des ondes mégahertz, antenne parabolique, 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 propage mais avec une direction différente. Cela ne concerne pas seulement la lumière (lentille optique, mirage) , mais aussi les ondes radio (réfraction des ondes décamétriques dans l’ionosphère) .

• 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.

• Interférences
Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent interférer. Dans le cas des radiocommunications, cela provoque un parasitage du signal .

• Diffraction
L’interférence d’ondes diffusées porte le nom de diffraction : La théorie de la diffraction, dans sa forme élémentaire, repose sur le principe de Huygens-Fresnel. Selon ce principe, chaque point atteint par une onde se comporte comme une source secondaire. La figure de diffraction observée  résulte de l’interférence des ondes émises par l’ensemble des sources secondaires. Bien que cette théorie ne fasse pas intervenir la nature de l’onde (sonore, lumineuse…). Le principe de Huygens-Fresnel est une approximation de la solution rigoureuse au problème de diffraction donnée par la résolution de l’équation d’onde. Il est valable dans le cadre de l’approximation paraxiale : c’est-à-dire quand la distance entre l’objet et la figure de diffraction est grande devant à la fois la taille de l’objet et la taille de la figure de diffraction.

• Flux d’énergie
Le flux d’énergie à travers une surface est donné par le flux du vecteur de Poynting :

En physique, le vecteur de Poynting indique, dans un milieu isotrope, la direction de propagation d’une onde électromagnétique. Le flux du vecteur de Poynting à travers une surface (fermée ou non) est égal à la puissance véhiculée par l’onde à travers cette surface. Le module de ce vecteur est donc une puissance par unité de surface, c’est-à-dire un flux d’énergie, et s’exprime en watt par mètre carré.