Ondes électromagnétiques: théorie de Maxwell, types, caractéristiques, applications
Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales qui correspondent à des champs causés par des charges électriques accélérées. Le dix-neuvième siècle a été marqué par de grandes avancées dans le domaine de l'électricité et du magnétisme, mais jusqu'à la première moitié de son histoire, les scientifiques ne connaissaient toujours pas les relations entre les deux phénomènes, estimant qu'ils étaient indépendants l'un de l'autre.
C'est le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) qui a montré au monde que l'électricité et le magnétisme n'étaient que les deux faces d'une même pièce. Les deux phénomènes sont intimement liés.
Le courant électrique n'est pas un vecteur, bien qu'il ait une magnitude et une direction. Il est plus approprié de relier les champs à une quantité vectorielle: la densité de courant J , dont la grandeur est le quotient entre le courant et la zone traversée. Les unités de la densité de courant dans le système international sont les ampères / m2.
En termes de vecteur, la densité de courant de déplacement est:
De cette manière, lorsque la loi de l’ampère est appliquée au contour C et que la surface S est utilisée, i C est le courant qui le traverse. Par contre, C ne traverse pas S ', mais i D le fait.
Exercice déterminé
1-Un condensateur de plaques planes parallèles circulaires est en cours de chargement. Le rayon des plaques est de 4 cm et à un instant donné le courant de conduction i C = 0, 520 A. Il y a de l'air entre les plaques. Trouver:
a) La densité de courant de déplacement J D dans l'espace entre les plaques.
b) La vitesse à laquelle le champ électrique entre les plaques change.
c) Le champ magnétique induit entre les plaques à une distance de 2 cm de l'axe axial.
d) Même problème qu'en c) mais à une distance de 1 cm de l'axe axial.
La solution
Section a
Pour la magnitude de la densité de courant J D, il faut connaître l’aire des plaques:
Surface des plaques: A = πr2 = π. (4 x 10-2 m) 2 = 0, 00503 m2.
Le champ électrique est uniforme entre les plaques, la densité de courant également, puisqu'elles sont proportionnelles. Aussi i C = i D par continuité, alors:
Densité de courant J D = 0, 520 A / 0, 00503 m2 = 103, 38 A / m2.
Section b
Le taux de variation du champ électrique est (dE / dt). Une équation est nécessaire pour la trouver, en partant des premiers principes: la définition du courant, la définition de la capacité et la capacité d’un condensateur à plaques plates parallèles.
- Par définition, le courant est la dérivée de la charge par rapport au temps i C = dq / dt
- La capacité du condensateur est C = q / v, où q est la charge et v la différence de potentiel.
- D'autre part, la capacité du condensateur à plaque plate parallèle est de: C = ε ou A / d.
Les lettres minuscules sont utilisées pour indiquer les courants et les tensions qui varient dans le temps. En combinant les deuxième et troisième équations, la charge reste la suivante:
q = Cv = (ε ou A / d) .v = ε ou A (v / d) = ε ou AE
Ici, ε o est la permittivité du vide dont la valeur est de 8, 85 x 10-12 C2 / N.m2. Par conséquent, en prenant ce résultat à la première équation, vous obtenez une expression contenant le taux de variation du champ électrique:
i C = dq / dt = d (ε ou AE) / dt = ε ou A (dE / dt)
La compensation dE / dt reste:
(dE / dt) = i C / (ε ou A) = j D / ε ou
Valeurs de substitution:
dE / dt = (103, 38 A / m2) / (8, 85 x 10-12 C2 / N.m2) = 1, 17 x 1013 (N / C) / s
Le résultat est approximativement 1 suivi de 13 zéros. Décidément, le champ électrique change très rapidement.
Section c
Pour connaître la magnitude du champ magnétique, il est nécessaire d'appliquer la loi d'Ampère en choisissant une trajectoire circulaire de rayon r à l'intérieur des plaques et concentriques à celles-ci, de rayon R:
Pour sa part dans l'intégrale, les vecteurs B et dl sont parallèles, de sorte que le produit scalaire est simplement Bdl, où dl est un différentiel de route sur C. Le champ B est constant dans tout le chemin C et se trouve en dehors de l'intégrale :
Evaluer l’équation obtenue au paragraphe précédent, pour r = 1 cm = 0, 01 m:
Caractéristiques des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales où les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires entre eux et simultanément à la direction de propagation de l’onde.
Ensuite, nous verrons ses caractéristiques les plus remarquables.
Vitesse de propagation
La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide est d' environ 3, 00 x 108 m / s, quelles que soient les valeurs associées à la longueur d'onde et à la fréquence.
Signifie où ils se propagent
Les ondes électromagnétiques se propagent à la fois dans le vide et dans certains milieux matériels, contrairement aux ondes mécaniques qui nécessitent un milieu.
Relation entre vitesse, longueur d'onde et fréquence
La relation entre la vitesse c, la longueur d'onde λ et la fréquence f des ondes électromagnétiques dans le vide est c = λ.f.
Relation entre champ électrique et magnétique
Les magnitudes des champs électriques et magnétiques sont liées par E = cB.
Vitesse dans un milieu donné
Dans un milieu donné, il est possible de démontrer que la vitesse des ondes électromagnétiques est donnée par l'expression:
Dans laquelle ε et µ sont les permittivité et perméabilité respectives du milieu en question.
Quantité de mouvement
Un rayonnement électromagnétique d’énergie U est associé à une quantité de mouvement p dont l’amplitude est: p = U / c .
Types d'ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques ont une très large gamme de longueurs d'onde et de fréquences. Ils sont regroupés dans ce qu'on appelle le spectre électromagnétique, qui a été divisé en régions, nommées ci-dessous, en commençant par les plus grandes longueurs d'onde:
Ondes radio
Situés au bout de la plus longue longueur d'onde et de la fréquence la plus basse, ils vont de quelques milliards à un milliard de Hertz. Ce sont ceux utilisés pour transmettre un signal avec des informations de différentes sortes et sont capturés par les antennes. La télévision, la radio, les téléphones portables, les planètes, les étoiles et d’autres corps célestes les émettent et peuvent être capturés.
Micro-ondes
Situés dans les ultra-hautes fréquences (UHF), les très hautes fréquences (SHF) et les très hautes fréquences (EHF), ils s'étendent entre 1 GHz et 300 GHz Contrairement aux fréquences précédentes pouvant mesurer jusqu'à 1, 6 km, les micro-ondes Ils vont de quelques centimètres à 33 cm.
Compte tenu de leur position dans le spectre, entre 100 000 et 400 000 nm, ils sont utilisés pour transmettre des données à des fréquences non perturbées par les ondes radio. Pour cette raison, ils sont appliqués dans la technologie radar, les téléphones portables, les fours de cuisine et les solutions informatiques.
Son oscillation est le produit d'un dispositif appelé magnétron, qui est une sorte de cavité résonante dotée de 2 aimants à disque aux extrémités. Le champ électromagnétique est généré par l'accélération des électrons de la cathode.
Rayons infrarouges
Ces vagues de chaleur sont émises par des corps thermiques, certains types de lasers et des diodes émettrices de lumière. Bien qu'ils se chevauchent souvent avec les ondes radio et les micro-ondes, leur plage est comprise entre 0, 7 et 100 micromètres.
Les entités produisent le plus souvent de la chaleur pouvant être détectée par la vision nocturne et la peau. Ils sont souvent utilisés pour les télécommandes et les systèmes de communication spéciaux.
Lumière visible
Dans la division référentielle du spectre, nous trouvons la lumière perceptible, dont la longueur d'onde est comprise entre 0, 4 et 0, 8 micromètre. Ce que nous distinguons sont les couleurs de l’arc-en-ciel, où la fréquence la plus basse est caractérisée par la couleur rouge et la plus haute par le violet.
Ses valeurs de longueur, mesurées en nanomètres et en Angstrom, représentent une très petite partie de l’ensemble du spectre et cette gamme inclut la plus grande quantité de radiations émises par le soleil et les étoiles. De plus, c'est un produit de l'accélération des électrons dans les transits d'énergie.
Notre perception des choses est basée sur le rayonnement visible qui frappe un objet, puis les yeux. Ensuite, le cerveau interprète les fréquences qui donnent lieu à la couleur et les détails présents dans les choses.
Rayons ultraviolets
Ces ondulations comprises entre 4 et 400 nm sont générées par le soleil et d’autres processus émettant de grandes quantités de chaleur. Une exposition prolongée à ces ondes courtes peut causer des brûlures et certains types de cancer chez les êtres vivants.
Comme ils sont le produit de sauts d’électrons dans les molécules et les atomes excités, leur énergie intervient dans les réactions chimiques et est utilisée en médecine pour la stérilisation. Ils sont responsables de l'ionosphère car la couche d'ozone évite ses effets néfastes sur la terre.
Rayons X
Cette désignation est due au fait qu’il s’agit d’ondes électromagnétiques invisibles capables de traverser des corps opaques et de produire des impressions photographiques. Situés entre 10 et 0, 01 nm (30 à 30 000 PHz), ils sont le résultat d'électrons sortant des orbites dans des atomes lourds.
Ces rayons peuvent être émis par la couronne solaire, les pulsars, les supernovas et les trous noirs en raison de leur grande quantité d'énergie. Son exposition prolongée provoque le cancer et est utilisée dans le domaine de la médecine pour obtenir des images de structures osseuses.
Rayons gamma
Situées à l'extrême gauche du spectre, ce sont les ondes les plus fréquentes et se rencontrent généralement dans les trous noirs, les supernovas, les pulsars et les étoiles à neutrons. Ils peuvent également être une conséquence de la fission, des explosions nucléaires et de la foudre.
Étant donné qu'ils sont générés par des processus de stabilisation dans le noyau de l'atome après des émissions radioactives, ils sont mortels. Leur longueur d'onde est subatomique, ce qui leur permet de traverser des atomes. Même dans ce cas, ils sont absorbés par l'atmosphère terrestre.
Applications des différentes ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques ont les mêmes propriétés de réflexion et de réflexion que les ondes mécaniques. Et avec l'énergie qu'ils propagent, ils peuvent également transporter des informations.
De ce fait, les différents types d’ondes électromagnétiques ont été appliqués à un grand nombre de tâches différentes. Ensuite, nous verrons quelques-uns des plus courants.
Ondes radio
Peu de temps après sa découverte, Guglielmo Marconi a montré qu’il pouvait constituer un excellent outil de communication. Depuis sa découverte par Hertz, les communications sans fil avec des fréquences radio telles que la radio AM et FM, la télévision, les téléphones portables et bien d’autres encore se répandent de plus en plus dans le monde entier.
Micro-ondes
Ils peuvent être utilisés pour réchauffer des aliments, car l'eau est une molécule dipolaire capable de réagir à des champs électriques oscillants. La nourriture contient des molécules d'eau qui, lorsqu'elles sont exposées à ces champs, commencent à osciller et à entrer en collision les unes avec les autres. L'effet résultant est chauffant.
Ils peuvent également être utilisés dans les télécommunications, en raison de leur capacité à se déplacer dans l'atmosphère avec moins d'interférences que d'autres longueurs d'ondes plus grandes.
Ondes infrarouges
Les applications les plus caractéristiques de l'infrarouge sont les dispositifs de vision nocturne. Ils sont également utilisés dans la communication entre appareils et dans les techniques spectroscopiques pour l'étude des étoiles, des nuages de gaz interstellaires et des exoplanètes.
Avec eux, vous pouvez également créer des cartes de la température corporelle, qui servent à identifier certains types de tumeurs dont la température est supérieure à celle des tissus environnants.
Lumière visible
La lumière visible forme une grande partie du spectre émis par le Soleil, auquel la rétine répond.
Rayons ultraviolets
Les rayons ultraviolets ont suffisamment d'énergie pour interagir de manière significative avec la matière. Une exposition continue à ce rayonnement provoque donc un vieillissement prématuré et augmente le risque de cancer de la peau.
Rayons X et rayons gamma
Les rayons X et les rayons gamma ont encore plus d'énergie et sont donc capables de pénétrer dans les tissus mous. C'est pourquoi, dès leur découverte, ils ont été utilisés pour diagnostiquer des fractures et examiner l'intérieur du corps à la recherche de maladies. .
Les rayons X et gamma ne sont pas seulement utilisés comme outils de diagnostic, mais aussi comme outils thérapeutiques pour la destruction des tumeurs.
