16.6 : Le spectre électromagnétique
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À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquer comment les ondes électromagnétiques sont divisées en différentes plages, en fonction de la longueur d'onde et de la fréquence correspondante
- Décrire comment les ondes électromagnétiques de différentes catégories sont produites
- Décrire certaines des nombreuses applications pratiques quotidiennes des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques ont une vaste gamme d'applications pratiques quotidiennes qui incluent des utilisations aussi diverses que la communication par téléphone portable et la radiodiffusion, le WiFi, la cuisine, la vision, l'imagerie médicale et le traitement du cancer. Dans ce module, nous expliquons comment les ondes électromagnétiques sont classées en catégories telles que la radio, l'infrarouge, l'ultraviolet, etc. Nous résumons également certaines des principales applications pour chaque gamme.
Les différentes catégories d'ondes électromagnétiques diffèrent dans leur gamme de longueurs d'onde ou, de manière équivalente, dans leurs plages de fréquences correspondantes. Leurs propriétés changent en douceur d'une gamme de fréquences à l'autre, avec des applications différentes dans chaque gamme. Un bref aperçu de la production et de l'utilisation des ondes électromagnétiques se trouve dans le tableau\(\PageIndex{1}\).
| Type de vague | Production | Applications | Problèmes |
|---|---|---|---|
| Radio | Charges accélérées | Communications, télécommandes, IRM | Nécessite un contrôle pour l'utilisation |
| Micro-ondes | Accélération des charges et agitation thermique | Communications, fours, radar, utilisation du téléphone portable | |
| infrarouge | Agitation thermique et transitions électroniques | Imagerie thermique, Chauffage | Absorbé par l'atmosphère, effet de serre |
| Lumière visible | Agitation thermique et transitions électroniques | Photosynthèse, vision humaine | |
| ultraviolets | Agitation thermique et transitions électroniques | Stérilisation, production de vitamine D | Appauvrissement de la couche d'ozone, |
| Radiographies | Transitions électroniques internes et collisions rapides | Sécurité, Diagnostic médical, Traitement du cancer | Cause du cancer |
| Rayons gamma | Désintégration nucléaire | Médecine nucléaire, Sécurité, Diagnostic médical, Thérapie anticancéreuse | Causant le cancer, dommages causés |
La relation\(c = f\lambda\) entre la fréquence f et la longueur d'onde\(\lambda\) s'applique à toutes les ondes et garantit qu'une fréquence supérieure signifie une longueur d'onde plus petite La figure\(\PageIndex{2}\) montre comment les différents types d'ondes électromagnétiques sont classés en fonction de leurs longueurs d'onde et de leurs fréquences, c'est-à-dire qu'elle montre le spectre électromagnétique.
Ondes radio
Le terme ondes radio fait référence au rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est supérieure à environ 0,1 m. Les ondes radio sont couramment utilisées pour les communications audio (c'est-à-dire pour les radios), mais le terme est utilisé pour les ondes électromagnétiques de cette gamme, quelle que soit leur application. Les ondes radio proviennent généralement d'un courant alternatif dans les fils d'une antenne de diffusion. Ils couvrent une très large gamme de longueurs d'onde et sont divisés en de nombreuses sous-gammes, notamment les micro-ondes, les ondes électromagnétiques utilisées pour la radio AM et FM, les téléphones cellulaires et les signaux de télévision.
Il n'y a pas de fréquence la plus basse des ondes radio, mais les ondes ELF, ou « fréquence extrêmement basse », font partie des fréquences les plus basses couramment rencontrées, de 3 Hz à 3 kHz. La charge qui s'accélère dans les courants alternatifs des lignes électriques produit des ondes électromagnétiques dans cette gamme. Les ondes ELF peuvent pénétrer dans l'eau de mer, qui absorbe fortement les ondes électromagnétiques de fréquence plus élevée, et sont donc utiles pour les communications sous-marines.
Afin d'utiliser une onde électromagnétique pour transmettre des informations, l'amplitude, la fréquence ou la phase de l'onde est modulée ou modifiée d'une manière contrôlée qui code les informations souhaitées dans l'onde. Dans la transmission radio AM, l'amplitude de l'onde est modulée pour imiter les vibrations du son transmis. Le théorème de Fourier implique que l'onde AM modulée équivaut à une superposition d'ondes couvrant une gamme de fréquences étroite. Chaque station AM se voit attribuer une fréquence porteuse spécifique qui, en vertu d'un accord international, est autorisée à varier\(\pm 5 \, kHz\). Dans la transmission radio FM, la fréquence de l'onde est modulée pour transmettre ces informations, comme illustré sur la figure\(\PageIndex{2}\), et la fréquence de chaque station est autorisée à utiliser 100 kHz de chaque côté de sa fréquence porteuse. L'onde électromagnétique produit un courant dans une antenne de réception, et la radio ou la télévision traite le signal pour produire le son et n'importe quelle image. Plus la fréquence de l'onde radio utilisée pour transporter les données est élevée, plus la variation détaillée de l'onde pouvant être véhiculée en la modulant sur chaque unité de temps est importante, et plus il est possible de transmettre de données par unité de temps. Les fréquences attribuées pour la diffusion AM sont de 540 à 1600 kHz, et pour la FM, de 88 MHz à 108 MHz.
Les conversations téléphoniques et les images vidéo et vocales de télévision sont généralement transmises sous forme de données numériques, en convertissant le signal en une séquence de uns et de zéros binaires. Cela permet une transmission de données plus claire lorsque le signal est faible et permet d'utiliser des algorithmes informatiques pour compresser les données numériques afin de transmettre davantage de données dans chaque gamme de fréquences. Les données informatiques sont également transmises sous la forme d'une séquence de uns et de zéros binaires, chacun constituant un bit de données.
Micro-ondes
Les micro-ondes sont les ondes électromagnétiques les plus hautes fréquences qui peuvent être produites par les courants dans les circuits et appareils macroscopiques. Les fréquences des micro-ondes vont d'environ\(10^{9}Hz\) à presque\(10^{12} Hz\). Leurs hautes fréquences correspondent à de courtes longueurs d'onde par rapport aux autres ondes radio, d'où le nom de « micro-ondes ». Les micro-ondes sont également présentes naturellement sous forme de rayonnement de fond cosmique laissé par l'origine de l'univers. Comme d'autres gammes d'ondes électromagnétiques, elles font partie du rayonnement que tout objet au-dessus du zéro absolu émet et absorbe en raison de l'agitation thermique, c'est-à-dire du mouvement thermique de ses atomes et de ses molécules.
La plupart des informations transmises par satellite sont transmises par micro-ondes. Le radar est une application courante des micro-ondes. En détectant et en chronométrant les échos micro-ondes, les systèmes radar peuvent déterminer la distance par rapport à des objets aussi divers que les nuages, les avions ou même la surface de Vénus.
Les micro-ondes de 2,45 GHz sont couramment utilisées dans les fours à micro-ondes. Les électrons d'une molécule d'eau ont tendance à rester plus proches du noyau d'oxygène que les noyaux d'hydrogène (Figure\(\PageIndex{3}\)). Cela crée deux centres séparés de charges égales et opposées, donnant à la molécule un moment dipolaire. Le champ électrique oscillant des micro-ondes à l'intérieur du four exerce un couple qui tend à aligner chaque molécule d'abord dans un sens puis dans l'autre, le mouvement de chaque molécule étant couplé aux autres molécules qui l'entourent. Cela injecte de l'énergie dans le mouvement thermique continu de l'eau pour chauffer les aliments. La plaque située sous les aliments ne contient pas d'eau et reste relativement peu chauffée.
Les micro-ondes d'un four à micro-ondes se reflètent sur les parois du four, de sorte que la superposition des ondes produit des ondes stationnaires, similaires aux ondes stationnaires d'une corde de guitare ou de violon vibrante (modes normaux d'une onde sonore stationnaire). Un ventilateur rotatif agit comme un agitateur en réfléchissant les micro-ondes dans différentes directions, et les plaques tournantes pour aliments aident à répartir les points chauds.
À quelle distance se trouvent les points chauds d'un four à micro-ondes à 2,45 GHz ?
Stratégie
Considérez les ondes dans une direction dans le four, qui se reflètent sur la paroi opposée à celle où elles sont générées.
Solution
Les antinœuds, où l'intensité est maximale, sont séparés par la moitié de la longueur d'onde
\[ \begin{align} d &= \dfrac{1}{2} \lambda \\[4pt] &= \dfrac{1}{2} \dfrac{c}{f} \\[4pt] &= \dfrac{3.00 \times 10^8 m/s}{2(2.45 \times 10^9 \, Hz)} \\[4pt] &= 6.02 \, cm. \end{align}\]
L'importance
La distance entre les points chauds d'un four à micro-ondes est déterminée par la longueur d'onde des micro-ondes.
Un téléphone portable est équipé d'un récepteur radio et d'un émetteur radio faible, qui peuvent tous deux s'accorder rapidement sur des centaines de fréquences micro-ondes spécifiquement attribuées. La faible intensité du signal émis lui confère une portée volontairement limitée. Un système au sol relie le téléphone uniquement à la tour de diffusion affectée à la petite zone spécifique, ou à la cellule, et fait passer en douceur sa connexion à la cellule suivante lorsque la réception du signal y est la plus forte. Cela permet d'utiliser un téléphone portable lors du changement de position.
Les micro-ondes fournissent également le WiFi qui permet aux propriétaires de téléphones portables, d'ordinateurs portables et d'appareils similaires de se connecter sans fil à Internet à la maison, dans les cafés et les aéroports. Un routeur Wi-Fi sans fil est un appareil qui échange des données sur Internet via le câble ou une autre connexion, et utilise des micro-ondes pour échanger les données sans fil avec des appareils tels que des téléphones portables et des ordinateurs. Le terme WiFi lui-même fait référence aux normes suivies pour moduler et analyser les micro-ondes afin que les routeurs et appareils sans fil de différents fabricants fonctionnent de manière compatible les uns avec les autres. Les données informatiques dans chaque direction sont constituées de séquences de zéros et de uns binaires, chacun correspondant à un bit binaire. Les micro-ondes se situent dans la plage de 2,4 GHz à 5,0 GHz.
D'autres technologies sans fil utilisent également des micro-ondes pour assurer les communications quotidiennes entre les appareils. Le Bluetooth a été développé parallèlement au Wi-Fi en tant que norme pour les communications radio dans la gamme 2,4 GHz entre des appareils à proximité, par exemple, pour relier des écouteurs et des écouteurs audio à des appareils tels que des radios, ou le téléphone portable du conducteur à un appareil mains libres pour permettre de répondre à des appels téléphoniques sans tâtonnant directement avec le téléphone portable.
Les micro-ondes sont également utiles pour le marquage radio, en utilisant la technologie RFID (identification par radiofréquence). Il s'agit par exemple d'étiquettes RFID fixées à la marchandise du magasin, d'un transpondeur pour les postes de péage fixé au pare-brise d'une voiture ou même d'une puce encastrée dans la peau d'un animal de compagnie. L'appareil répond à un signal micro-ondes en émettant son propre signal contenant des informations codées, ce qui permet aux magasins d'appeler rapidement les articles à leurs caisses, aux conducteurs de facturer des péages sur leur compte sans s'arrêter et aux animaux perdus de retrouver leurs propriétaires. Le NFC (Near Field Communication) fonctionne de la même manière, sauf que sa portée est beaucoup plus courte. Son mécanisme d'interaction est le champ magnétique induit à des fréquences micro-ondes entre deux bobines. Les téléphones portables dotés de la fonctionnalité NFC et du logiciel approprié peuvent fournir des informations pour les achats en utilisant le téléphone portable au lieu d'une carte de crédit physique. La très courte portée du transfert de données est une caractéristique de sécurité souhaitée dans ce cas.
Rayonnement infrarouge
La limite entre les régions micro-ondes et infrarouge du spectre électromagnétique n'est pas bien définie (Figure\(\PageIndex{1}\)). Le rayonnement infrarouge est généralement produit par le mouvement thermique ainsi que par la vibration et la rotation des atomes et des molécules. Les transitions électroniques dans les atomes et les molécules peuvent également produire un rayonnement infrarouge. Environ la moitié de l'énergie solaire qui arrive sur Terre se trouve dans la région infrarouge, le reste se trouvant principalement dans la partie visible du spectre. Environ 23 % de l'énergie solaire est absorbée par l'atmosphère, environ 48 % est absorbée à la surface de la Terre et environ 29 % est réfléchie dans l'espace.
La gamme de fréquences infrarouges s'étend jusqu'à la limite inférieure de la lumière visible, juste en dessous du rouge. En fait, l'infrarouge signifie « en dessous du rouge ». Les molécules d'eau tournent et vibrent particulièrement bien aux fréquences infrarouges. Les satellites de reconnaissance peuvent détecter des bâtiments, des véhicules et même des humains individuels grâce à leurs émissions infrarouges, dont la puissance de rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue. De façon plus banale, nous utilisons des lampes infrarouges, y compris celles appelées radiateurs à quartz, pour nous réchauffer de préférence, car nous absorbons les infrarouges mieux que notre environnement.
Les « télécommandes » portables familières qui permettent de changer de chaîne et de réglage sur les téléviseurs transmettent souvent leur signal en modulant un faisceau infrarouge. Si vous essayez d'utiliser la télécommande d'un téléviseur sans que l'émetteur infrarouge soit directement en ligne de mire avec le détecteur infrarouge, il se peut que le téléviseur ne réponde pas. Certaines télécommandes utilisent plutôt le Bluetooth et réduisent cette gêne.
Lumière visible
La lumière visible est le segment étroit du spectre électromagnétique entre environ 400 nm et environ 750 nm auquel l'œil humain normal répond. La lumière visible est produite par les vibrations et les rotations des atomes et des molécules, ainsi que par les transitions électroniques au sein des atomes et des molécules. Les récepteurs ou détecteurs de lumière utilisent en grande partie des transitions électroniques.
La lumière rouge possède les fréquences les plus basses et les plus longues longueurs d'onde, tandis que le violet possède les fréquences les plus élevées et les longueurs d'onde les plus courtes (Figure\(\PageIndex{4}\)) Le rayonnement solaire émis par le corps noir atteint son maximum dans la partie visible du spectre, mais il est plus intense dans le rouge que dans le violet, ce qui donne au soleil une apparence jaunâtre.
Les êtres vivants (plantes et animaux) ont évolué pour utiliser et répondre aux parties du spectre électromagnétique dans lequel ils sont intégrés. Nous apprécions la beauté de la nature grâce à la lumière visible. Les plantes sont plus sélectives. La photosynthèse utilise des parties du spectre visible pour fabriquer des sucres.
Rayonnement ultraviolet
L'ultraviolet signifie « au-dessus du violet ». Les fréquences électromagnétiques du rayonnement ultraviolet (UV) s'étendent vers le haut à partir du violet, la lumière visible la plus haute fréquence. L'ultraviolet de fréquence la plus élevée chevauche les rayons X de fréquence la plus basse. Les longueurs d'onde de l'ultraviolet s'étendent de 400 nm à environ 10 nm à ses fréquences les plus élevées. Les ultraviolets sont produits par des mouvements atomiques et moléculaires et des transitions électroniques.
Le rayonnement UV du Soleil est largement subdivisé en trois gammes de longueurs d'onde : UV-A (320—400 nm) est la fréquence la plus basse, puis UV-B (290—320 nm) et UV-C (220—290 nm). La plupart des UV-B et tous les UV-C sont absorbés par l'ozone (\(O_3)\)molécules) de la haute atmosphère. Par conséquent, 99 % du rayonnement UV solaire atteignant la surface de la Terre est constitué d'UV-A.
Les coups de soleil sont causés par de fortes expositions aux UV-B et aux UV-C, et des expositions répétées peuvent augmenter le risque de cancer de la peau. La réaction au bronzage est un mécanisme de défense par lequel l'organisme produit des pigments dans les couches inertes de la peau afin de réduire l'exposition des cellules vivantes situées en dessous.
Comme nous l'examinerons dans un chapitre ultérieur, plus la longueur d'onde de la lumière est courte, plus le changement d'énergie d'un atome ou d'une molécule qui absorbe la lumière lors d'une transition électronique est important. La lumière ultraviolette de courte longueur d'onde endommage ainsi les cellules vivantes. Cela explique également pourquoi les rayons ultraviolets sont plus aptes que la lumière visible à faire briller ou à émettre de la fluorescence de certains matériaux.
Outre les effets nocifs des rayons ultraviolets, l'exposition présente également des avantages dans la nature et à des utilisations technologiques. La production de vitamine D par la peau résulte de l'exposition aux rayons UV-B, généralement du soleil. Plusieurs études suggèrent que la carence en vitamine D est associée au développement de divers cancers (prostate, sein, côlon), ainsi qu'à l'ostéoporose. Les ultraviolets de faible intensité ont des applications telles que la fourniture de l'énergie nécessaire à la fluorescence de certains colorants et à l'émission de lumière visible, par exemple, dans la monnaie imprimée pour afficher des filigranes cachés en guise de protection contre la contrefaçon.
Radiographies
Les rayons X ont des longueurs d'onde d'environ\(10^{-8} m\) à\(10^{-12}m\). Ils ont des longueurs d'onde plus courtes et des fréquences plus élevées que les ultraviolets, de sorte que l'énergie qu'ils transfèrent au niveau atomique est plus importante. Par conséquent, les rayons X ont des effets nocifs sur les cellules vivantes similaires à ceux des rayons ultraviolets, mais ils sont plus pénétrants. Le cancer et les anomalies génétiques peuvent être provoqués par les rayons X. En raison de leur effet sur les cellules qui se divisent rapidement, les rayons X peuvent également être utilisés pour traiter et même guérir le cancer.
Les rayons X sont largement utilisés pour imager des objets opaques à la lumière visible, tels que le corps humain ou des parties d'aéronefs. Chez l'homme, le risque de lésion cellulaire est soigneusement évalué par rapport au bénéfice des informations diagnostiques obtenues.
Rayons gamma
Peu après la première détection de la radioactivité nucléaire en 1896, on a découvert qu'au moins trois types distincts de rayonnements étaient émis, appelés rayons alpha, bêta et gamma. Le rayonnement nucléaire le plus pénétrant (les\(\gamma\) rayons gamma) s'est révélé plus tard être une onde électromagnétique à très haute fréquence.
L'extrémité inférieure de la gamme\(\gamma\) de fréquences des rayons X chevauche l'extrémité supérieure de la plage des rayons X. Les rayons gamma ont des caractéristiques identiques aux rayons X de même fréquence : ils ne diffèrent que par la source. Le nom « rayons gamma » est généralement utilisé pour désigner le rayonnement électromagnétique émis par un noyau, tandis que les rayons X sont généralement produits en bombardant une cible d'électrons énergétiques dans un tube à rayons X. À des fréquences plus élevées,\(\gamma\) les rayons X pénètrent davantage et endommagent davantage les tissus vivants. Ils ont bon nombre des mêmes utilisations que les rayons X, y compris pour le traitement du cancer. Le rayonnement gamma émis par des matières radioactives est utilisé en médecine nucléaire.
Utilisez cette simulation pour découvrir comment la lumière interagit avec les molécules de notre atmosphère.
- Découvrez comment la lumière interagit avec les molécules de notre atmosphère.
- Identifiez que l'absorption de la lumière dépend de la molécule et du type de lumière.
- Reliez l'énergie de la lumière au mouvement qui en résulte.
- Identifiez que l'énergie augmente du micro-ondes aux ultraviolets.
- Prédisez le mouvement d'une molécule en fonction du type de lumière qu'elle absorbe.
En quoi les ondes électromagnétiques pour les différents types de rayonnements électromagnétiques diffèrent-elles ?
- Réponse
-
Ils se situent dans différentes plages de longueurs d'onde, et donc également dans différentes plages de fréquences correspondantes.