16.S : Ondes électromagnétiques (résumé)

Termes clés

courant de déplacement	terme supplémentaire dans les équations de Maxwell qui est analogue à un courant réel mais qui tient compte de l'évolution du champ électrique produisant un champ magnétique, même lorsque le courant réel est présent
rayon gamma (\(\displaystyle γ\)rayon)	rayonnement électromagnétique à très haute fréquence émis par le noyau d'un atome, soit à la suite de la désintégration nucléaire naturelle, soit de processus nucléaires induits dans des réacteurs et des armes nucléaires ; l'extrémité inférieure de la\(\displaystyle γ\) gamme de fréquences des rayons X chevauche l'extrémité supérieure de la gamme des rayons X, mais\(\displaystyle γ\) les rayons peuvent avoir fréquence la plus élevée de tous les rayonnements électromagnétiques
rayonnement infrarouge	région du spectre électromagnétique dont la gamme de fréquences s'étend juste en dessous de la région rouge du spectre de la lumière visible jusqu'à la région des micro-ondes, ou\(\displaystyle 0.74μm\) de\(\displaystyle 300μm\)
Les équations de Maxwell	ensemble de quatre équations qui constituent une théorie complète et globale de l'électromagnétisme
micro-ondes	ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 1 mm et 1 m ; elles peuvent être produites par des courants dans des circuits et des dispositifs macroscopiques
Vecteur de Poynting	vecteur égal au produit croisé des champs électrique et magnétique, qui décrit le flux d'énergie électromagnétique à travers une surface
radar	application courante des micro-ondes ; le radar peut déterminer la distance par rapport à des objets aussi divers que les nuages et les avions, ainsi que la vitesse d'une voiture ou l'intensité d'une tempête de pluie
pression de rayonnement	force divisée par la surface appliquée par une onde électromagnétique sur une surface
ondes radio	ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 1 mm et 100 km ; elles sont produites par les courants dans les fils et les circuits et par des phénomènes astronomiques
agitation thermique	mouvement thermique des atomes et des molécules dans tout objet à une température supérieure au zéro absolu, qui les amène à émettre et à absorber des radiations
rayonnement ultraviolet	rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquences s'étendant vers le haut à partir de la lumière violette et chevauchant les fréquences les plus basses des rayons X, avec des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et environ 10 nm
lumière visible	segment étroit du spectre électromagnétique auquel répond l'œil humain normal, d'environ 400 à 750 nm
Radiographie	forme invisible et pénétrante de rayonnement électromagnétique à très haute fréquence, chevauchant à la fois la gamme ultraviolette et la gamme des\(\displaystyle γ\) rayons X

Équations clés

Courant de déplacement	\(\displaystyle I_d=ε_0\frac{dΦ_E}{dt}\)
Loi de Gauss	\(\displaystyle ∮\vec{E}⋅d\vec{A}=\frac{Q_{in}}{ε_0}\)
La loi de Gauss pour le magnétisme	\(\displaystyle ∮\vec{B}⋅d\vec{A}=0\)
Loi de Faraday	\(\displaystyle ∮\vec{E}⋅d\vec{s}=−\frac{dΦ_m}{dt}\)
Loi Ampère-Maxwell	\(\displaystyle ∮\vec{B}⋅d\vec{s}=μ_0I+ε_0μ_0\frac{dΦ_E}{dt}\)
Équation d'onde pour une onde EM plane	\(\displaystyle \frac{∂^2E_y}{∂x^2}=ε_0μ_0\frac{∂^2E_y}{∂t^2}\)
Vitesse des ondes électromagnétiques	\(\displaystyle c=\frac{1}{\sqrt{ε_0μ_0}}\)
Rapport entre le champ E et le champ B dans une onde électromagnétique	\(\displaystyle c=\frac{E}{B}\)
Vecteur de flux énergétique (Poynting)	\(\displaystyle \vec{S}=\frac{1}{μ_0}\vec{E}×\vec{B}\)
Intensité moyenne d'une onde électromagnétique	\(\displaystyle I=S_{avg}=\frac{cε_0E^2_0}{2}=\frac{cB^2_0}{2μ_0}=\frac{E_0B_0}{2μ_0}\)
Pression de rayonnement	\(\displaystyle p= \begin{cases} I/c & Perfect absorber \\ 2I/c & Perfect reflector \end{cases}\)

Résumé

16.2 : Équations de Maxwell et ondes électromagnétiques

James Clerk Maxwell (1831—1879) a été l'un des principaux contributeurs à la physique au XIXe siècle. Bien qu'il soit mort jeune, il a grandement contribué au développement de la théorie cinétique des gaz, à la compréhension de la vision des couleurs et à la nature des anneaux de Saturne. Il est surtout connu pour avoir combiné les connaissances existantes sur les lois de l'électricité et du magnétisme avec ses propres idées en une théorie électromagnétique globale complète, représentée par les équations de Maxwell.

• La prédiction des ondes électromagnétiques par Maxwell est le résultat de sa formulation d'une théorie complète et symétrique de l'électricité et du magnétisme, connue sous le nom d'équations de Maxwell.
• Les quatre équations de Maxwell ainsi que la loi de force de Lorentz englobent les principales lois de l'électricité et du magnétisme. La première est la loi de Gauss pour l'électricité ; la seconde est la loi de Gauss pour le magnétisme ; la troisième est la loi d'induction de Faraday (y compris la loi de Lenz) ; et la quatrième est la loi d'Ampère dans une formulation symétrique qui ajoute une autre source de magnétisme, à savoir la modification des champs électriques.
• La symétrie introduite entre les champs électriques et magnétiques par le courant de déplacement de Maxwell explique le mécanisme de propagation des ondes électromagnétiques, dans lequel les champs magnétiques changeants produisent des champs électriques changeants et vice versa.
• Bien que la lumière soit déjà connue pour être une onde, la nature de l'onde n'était pas comprise avant Maxwell. Les équations de Maxwell prédisaient également les ondes électromagnétiques dont les longueurs d'onde et les fréquences se situaient en dehors de la portée de Ces prédictions théoriques ont d'abord été confirmées expérimentalement par Heinrich Hertz.

16.3 : Ondes électromagnétiques planes

Les ondes mécaniques traversent un milieu tel qu'une ficelle, de l'eau ou de l'air. La prédiction la plus significative des équations de Maxwell est peut-être l'existence de champs électriques et magnétiques (ou électromagnétiques) combinés qui se propagent dans l'espace sous forme d'ondes électromagnétiques. Comme les équations de Maxwell s'appliquent à l'espace libre, les ondes électromagnétiques prédites, contrairement aux ondes mécaniques, ne nécessitent pas de milieu pour se propager.

• Les équations de Maxwell prédisent que les directions des champs électriques et magnétiques de l'onde, ainsi que la direction de propagation de l'onde, sont toutes perpendiculaires entre elles. L'onde électromagnétique est une onde transversale.
• Les intensités des parties électrique et magnétique de l'onde sont liées par\(\displaystyle c=E/B\), ce qui implique que le champ magnétique B est très faible par rapport au champ électrique E.
• L'accélération des charges crée des ondes électromagnétiques (par exemple, un courant oscillant dans un fil produit des ondes électromagnétiques ayant la même fréquence que l'oscillation).

16.4 : Énergie transportée par les ondes électromagnétiques

• L'énergie transportée par une onde est proportionnelle à son amplitude au carré. Pour les ondes électromagnétiques, cela signifie que l'intensité peut être exprimée comme

\(\displaystyle I=\frac{cε_0E^2_0}{2}\)

où I est l'intensité moyenne\(\displaystyle W/m^2\) et\(\displaystyle E_0\) l'intensité maximale du champ électrique d'une onde sinusoïdale continue. Cela peut également être exprimé en termes d'intensité maximale du champ magnétique\(\displaystyle B_0\) comme

\(\displaystyle I=\frac{cB^2_0}{2μ_0}\)

et en termes de champs électriques et magnétiques comme

\(\displaystyle I=\frac{E_0B_0}{2μ_0}\).

Les trois expressions pour\(\displaystyle I_{avg}\) sont toutes équivalentes.

16.5 : Moment et pression de rayonnement

• Les ondes électromagnétiques transportent l'impulsion et exercent une pression de rayonnement.
• La pression de rayonnement d'une onde électromagnétique est directement proportionnelle à sa densité énergétique.
• La pression est égale à deux fois l'intensité de l'énergie électromagnétique si l'onde est réfléchie et égale à l'intensité énergétique incidente si l'onde est absorbée.

16.6 : Le spectre électromagnétique

• La relation entre la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence pour n'importe quelle onde est donnée par\(\displaystyle v=fλ\), de sorte que pour les ondes électromagnétiques\(\displaystyle c=fλ\), où f est la fréquence,\(\displaystyle λ\) la longueur d'onde et c est la vitesse de la lumière.
• Le spectre électromagnétique est divisé en de nombreuses catégories et sous-catégories, en fonction de la fréquence et de la longueur d'onde, de la source et des utilisations des ondes électromagnétiques.

Contributeurs et attributions

Template:ContribOpenStaxUni