- Théorie de Maxwell
- Prédictions Maxwell
- Courant de déplacement
- Y a-t-il un champ magnétique en S '?
- Courant de déplacement
- Exercice résolu
- Vitesse dans un milieu donné
- Quantité de mouvement
- Types d'ondes électromagnétiques
- Les ondes radio
- Four micro-onde
- Rayons infrarouges
- Lumière visible
- Rayons ultraviolets
- Rayons X
- Rayons gamma
- Applications des différentes ondes électromagnétiques
- Les ondes radio
- Four micro-onde
- Ondes infrarouges
- Lumière visible
- Rayons ultraviolets
- Rayons X et rayons gamma
- Références
Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales qui correspondent à des champs provoqués par des charges électriques accélérées. Le XIXe siècle a été le siècle des grandes avancées de l'électricité et du magnétisme, mais jusqu'à la première moitié de celui-ci, les scientifiques ignoraient encore la relation entre les deux phénomènes, les estimant indépendants l'un de l'autre.
C'est le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) qui a prouvé au monde que l'électricité et le magnétisme n'étaient que les deux faces d'une même médaille. Les deux phénomènes sont étroitement liés.
Un orage. Source: Pixabay.
Théorie de Maxwell
Maxwell a unifié la théorie de l'électricité et du magnétisme en 4 équations élégantes et concises, dont les prédictions furent bientôt confirmées:
Quelles preuves Maxwell avait-il pour développer sa théorie électromagnétique?
C'était déjà un fait que les courants électriques (charges mobiles) produisent des champs magnétiques, et à son tour un champ magnétique variable produit des courants électriques dans des circuits conducteurs, ce qui impliquerait qu'un champ magnétique variable induit un champ électrique.
Le phénomène inverse pourrait-il être possible? Des champs électriques variables seraient-ils capables de générer à leur tour des champs magnétiques?
Maxwell, un disciple de Michael Faraday, était convaincu de l'existence de symétries dans la nature. Les phénomènes électriques et magnétiques devaient également adhérer à ces principes.
Selon ce chercheur, les champs oscillants généreraient des perturbations de la même manière qu'une pierre jetée dans un étang génère des vagues. Ces perturbations ne sont rien de plus que des champs électriques et magnétiques oscillants, que Maxwell appelait précisément les ondes électromagnétiques.
Prédictions Maxwell
Les équations de Maxwell prédisaient l'existence d'ondes électromagnétiques avec une vitesse de propagation égale à la vitesse de la lumière. La prédiction a été confirmée peu de temps après par le physicien allemand Heinrich Hertz (1857 - 1894), qui a réussi à générer ces ondes dans son laboratoire à l'aide d'un circuit LC. Cela s'est produit peu de temps après la mort de Maxwell.
Pour vérifier l'exactitude de la théorie, Hertz a dû construire un dispositif de détection qui lui a permis de trouver la longueur d'onde et la fréquence, des données à partir desquelles il pouvait calculer la vitesse des ondes radio électromagnétiques, coïncidant avec la vitesse de la lumière..
Le travail de Maxwell avait été accueilli avec scepticisme par la communauté scientifique de l'époque. Peut-être était-ce en partie parce que Maxwell était un mathématicien brillant et avait présenté sa théorie avec toute la formalité du cas, que beaucoup ne comprenaient pas.
Cependant, l'expérience de Hertz était brillante et convaincante. Leurs résultats ont été bien accueillis et les doutes sur la véracité des prédictions de Maxwell ont été dissipés.
Courant de déplacement
Le courant de déplacement est la création de Maxwell, résultant d'une analyse approfondie de la loi d'Ampère, qui stipule que:
Une batterie charge un condensateur. Les surfaces S (trait plein) et S 'et le contour C sont représentés pour appliquer la loi d'ampère. Source: modifié de Pixabay.
Par conséquent, le terme à droite dans la loi d'Ampère, impliquant le courant, n'est pas nul et le membre à gauche non plus. Conclusion immédiate: il y a un champ magnétique.
Y a-t-il un champ magnétique en S '?
Cependant, il n'y a pas de courant qui traverse ou traverse la surface courbe S ', qui a le même contour C, puisque cette surface englobe une partie de ce qui se trouve dans l'espace entre les plaques du condenseur, que l'on peut supposer être de l'air ou une autre substance non conductrice.
Dans cette région, il n'y a pas de matériau conducteur à travers lequel un courant circule. Il faut se rappeler que pour qu'un courant circule, le circuit doit être fermé. Puisque le courant est nul, l'intégrale à gauche dans la loi d'ampère est 0. Il n'y a donc pas de champ magnétique, n'est-ce pas?
Il y a certainement une contradiction. S 'est également limité par la courbe C et l'existence du champ magnétique ne doit pas dépendre de la surface à laquelle C se limite.
Maxwell a résolu la contradiction en introduisant la notion de courant de déplacement i D.
Courant de déplacement
Pendant que le condensateur se charge, un champ électrique variable existe entre les plaques et le courant circule à travers le conducteur. Lorsque le condensateur se charge, le courant dans le conducteur cesse et un champ électrique constant s'établit entre les plaques.
Puis Maxwell en déduit que, associé au champ électrique variable, il doit y avoir un courant qu'il appelle un courant de déplacement i D, un courant qui n'implique pas de mouvement de charge. Pour la surface S 'c'est valable:
Le courant électrique n'est pas un vecteur, bien qu'il ait une ampleur et une signification. Il est plus approprié de relier les champs à une grandeur vectorielle: la densité de courant J, dont la magnitude est le quotient entre le courant et la zone qu'il traverse. Les unités de densité de courant dans le système international sont les ampères / m 2.
En termes de ce vecteur, la densité de courant de déplacement est:
De cette manière, lorsque la loi d'Ampère est appliquée au contour C et que la surface S est utilisée, i C est le courant qui le traverse. Par contre, i C ne passe pas par S ', mais i D le fait.
Exercice résolu
Vitesse dans un milieu donné
Dans un milieu donné, il est possible de montrer que la vitesse des ondes électromagnétiques est donnée par l'expression:
Dans laquelle ε et μ sont la permittivité et la perméabilité respectives du milieu considéré.
Quantité de mouvement
Un rayonnement électromagnétique d'énergie U a un moment associé p dont la magnitude 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 que l'on appelle le spectre électromagnétique, qui a été divisé en régions, qui sont nommées ci-dessous, en commençant par les plus longues longueurs d'onde:
Les ondes radio
Situés à la longueur d'onde la plus élevée et à l'extrémité la plus basse de la fréquence, ils vont de quelques à un milliard de Hertz. Ce sont ceux qui sont utilisés pour transmettre un signal avec des informations de diverses natures et qui sont captés par les antennes. La télévision, la radio, les mobiles, les planètes, les étoiles et autres corps célestes les diffusent et ils peuvent être capturés.
Four micro-onde
Situés dans les fréquences ultra-hautes (UHF), super-hautes (SHF) et extrêmement élevées (EHF), ils vont de 1 GHz à 300 GHz. Contrairement aux précédents qui peuvent 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 sur des fréquences qui ne sont pas 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 connu sous le nom de magnétron, qui est une sorte de cavité résonnante qui possède 2 disques aimants 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 électroluminescentes. Bien qu'ils aient tendance à se chevaucher avec les ondes radio et les micro-ondes, leur portée est comprise entre 0,7 et 100 micromètres.
Les entités produisent le plus souvent de la chaleur qui peut être détectée par les lunettes de nuit 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, qui a une longueur d'onde comprise entre 0,4 et 0,8 micromètre. Ce que nous distinguons, ce sont les couleurs de l'arc-en-ciel, où la fréquence la plus basse est caractérisée par le rouge et la plus élevée par le violet.
Ses valeurs de longueur sont mesurées en nanomètres et en angström, il représente une très petite partie du spectre entier et cette gamme comprend la plus grande quantité de rayonnement émis par le soleil et les étoiles. De plus, il est le produit de l'accélération des électrons lors des transits d'énergie.
Notre perception des choses est basée sur le rayonnement visible qui tombe sur un objet puis sur les yeux. Le cerveau interprète alors les fréquences qui donnent lieu à la couleur et aux détails présents dans les choses.
Rayons ultraviolets
Ces ondulations sont de l'ordre de 4 à 400 nm, elles sont générées par le soleil et d'autres processus qui émettent de grandes quantités de chaleur. Une exposition à long terme à ces ondes courtes peut provoquer des brûlures et certains types de cancer chez les êtres vivants.
Puisqu'ils sont le produit de sauts d'électrons dans des molécules et des atomes excités, leur énergie est impliquée dans des réactions chimiques et ils sont utilisés en médecine pour stériliser. Ils sont responsables de l'ionosphère puisque la couche d'ozone empêche 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 tirages photographiques. Situés entre 10 et 0,01 nm (30 à 30 000 PHz), ils sont le résultat d'électrons sautant d'orbites dans des atomes lourds.
Ces rayons peuvent être émis par la couronne solaire, les pulsars, les supernovae et les trous noirs en raison de leur grande quantité d'énergie. Leur exposition prolongée provoque des cancers et ils sont utilisés dans le domaine médical pour obtenir des images de structures osseuses.
Rayons gamma
Situées à l'extrême gauche du spectre, ce sont les ondes qui ont la fréquence la plus élevée et se produisent généralement dans les trous noirs, les supernovae, les pulsars et les étoiles à neutrons. Ils peuvent également être le résultat de fission, d'explosions nucléaires et de foudre.
Puisqu'ils sont générés par des processus de stabilisation dans le noyau atomique après des émissions radioactives, ils sont mortels. Leur longueur d'onde est subatomique, ce qui leur permet de traverser les atomes. Ils sont toujours 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.
Pour cette raison, différents types d'ondes électromagnétiques ont été appliqués à un grand nombre de tâches différentes. Nous verrons ici quelques-unes des plus courantes.
Spectre électromagnétique et certaines de ses applications. Source: Tatoute et Phrood
Les ondes radio
Peu de temps après avoir été découverts, Guglielmo Marconi a prouvé qu'ils pouvaient être un excellent outil de communication. Depuis leur 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 plus encore, sont devenues de plus en plus répandues dans le monde.
Four micro-onde
Ils peuvent être utilisés pour chauffer des aliments, car l'eau est une molécule dipolaire capable de répondre aux champs électriques oscillants. Les aliments contiennent des molécules d'eau qui, lorsqu'elles sont exposées à ces champs, commencent à osciller et à se heurter. L'effet résultant est le réchauffement.
Ils peuvent également être utilisés dans les télécommunications, en raison de leur capacité à voyager dans l'atmosphère avec moins d'interférences que d'autres ondes de plus grande longueur d'onde.
Ondes infrarouges
L'application la plus caractéristique de l'infrarouge est celle des appareils 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.
Ils peuvent également créer des cartes de température corporelle, qui sont utilisées pour identifier certains types de tumeurs dont la température est supérieure à celle des tissus environnants.
Lumière visible
La lumière visible constitue 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, donc une exposition continue à ce rayonnement provoque un vieillissement prématuré et augmente le risque de développer un cancer de la peau.
Rayons X et rayons gamma
Les rayons X et gamma ont encore plus d'énergie et sont donc capables de pénétrer les tissus mous, d'où, presque dès leur découverte, ils ont été utilisés pour diagnostiquer les fractures et examiner l'intérieur du corps à la recherche de maladies..
Les rayons X et les rayons gamma sont utilisés non seulement comme outil de diagnostic, mais aussi comme outil thérapeutique pour la destruction des tumeurs.
Références
- Giancoli, D. (2006). Physique: principes avec applications. Sixième édition. Prentice Hall. 628-637.
- Rex, A. (2011). Fondamentaux de la physique. Pearson. 503-512.
- Sears, F. (2015). Physique universitaire et physique moderne. 14e édition. Pearson. 1053-1057.