UAA17: Les ondes électromagnétiques PDF

UAA17 Les ondes électromagnétiques A la fin de cette UAA tu seras capable de : Connaître : Définir : onde, champ magnétique, champ électromagnétique, onde électromagnétique Connaître (symbole, unité et valeur) des vitesse de propagation d...

UAA17 Les ondes électromagnétiques A la fin de cette UAA tu seras capable de : Connaître : Définir : onde, champ magnétique, champ électromagnétique, onde électromagnétique Connaître (symbole, unité et valeur) des vitesse de propagation d’une onde sonore (air et eau) et d’une onde électromagnétique (air). Connaître les formules reliant fréquence, célérité, période et longueur d’onde. Particularité de l’OEM (propagation dans le vide et la matière) Définir diffraction et donner les conditions de diffraction Mettre en relation fréquence et énergie Appliquer : Utiliser les formules reliant fréquence, célérité, période et longueur d’onde. Associer différentes technologies et applications au spectre électromagnétique. Justifier ou non le caractère néfaste d’une onde électromagnétique UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 1 1. Rappels : UAA12 (les ondes sonores) 1.1 Les phénomènes périodiques Un phénomène périodique (ou oscillation) est un mouvement de va-et-vient périodique autour d’une position d’équilibre. Dans l’exemple ci-dessous, le yo-yo exécute des mouvements de va-et-vient qui se répètent identiques à eux-mêmes au bout d’un temps identique. Le mouvement du yo-yo est une _______________________ou une ______________ on dira que la yo-yo a un comportement _________________ __________________________________  Sur le graphique, surligne une oscillation complète. Calcule le fréquence du yo-yo dans l’exemple ci-dessus. 1.2 L’onde : définition Une onde est une perturbation qui se déplace sans déplacement de matière. UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 2 Le son est une onde que l’on dira mécanique, car elle a besoin d’un milieu pour pouvoir se propager. Le son, lorsqu’il se propage, provoque des variations de la pression de l’air. La lumière, qui n’a pas besoin de milieu pour se propager, est une onde dite électromagnétique. Quelle preuve avons-nous du fait que la lumière n’a pas besoin de milieu pour se propager ? 1.3 La vitesse d’une onde Que signifie ce décalage entre l’onde lumineuse et l’onde sonore ? Une onde se déplace à une vitesse noté v et mesurée en m/s. V (onde sonore dans l’air) = 340 m/s V (onde sonore dans l’eau) = 1500 m/s V (lumière dans le vide) = 3.10 8 m/s = 300 000 000 m/s = 300 000 km/s 1.4 La longueur d’onde UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 3 La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde durant une période d’oscillation de la source. Son symbole est  et son unité est le mètre. La longueur d’onde, la période/fréquence et la vitesse sont reliés par la relation mathématique suivante : 𝑣 𝜆= = 𝑣. 𝑇 𝑓 a) Calcule la longueur d’onde d’une onde dont la fréquence est de 440 Hz. D I F R b) Quelle est la fréquence d’une onde lumineuse dont la longueur d’onde est de 700 nm ? D I F R 2. L’onde électromagnétique  Une onde électromagnétique est une onde qui n’a pas besoin de milieu pour se propager. Elle peut donc se propager dans le vide et dans la matière. UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 4 2.1 La nature des ondes électromagnétiques Toutes les ondes sont des déplacements d’énergie ; cependant, la différence fondamentale entre ondes électromagnétiques et mécaniques est le type de déplacement adopté par cette énergie. Les ondes mécaniques mettent en mouvement leur support (les vagues agitent le liquide, les tremblements de terre secouent le sol) et l’énergie est transmise par ce mouvement. Une onde sismique est une onde mécanique. Le sol est secoué. Ce n’est pas le cas des ondes électromagnétiques : elles n’interagissent pas mécaniquement avec leur environnement. Cela signifie que le support des ondes électromagnétiques n’est pas la matière : c’est grâce à cela qu’elles se déplacent aussi dans le vide, là où il n’y a pas de matière. Alors, que font-elles « vibrer » pour se déplacer et mériter le nom d’ondes ? Il existe en physique des champs : cela désigne une partie de l’espace dont chaque point possède une propriété que l’on étudie. Par exemple, le champ de pesanteur terrestre est l’ensemble de l’espace où la Terre exerce une influence gravitationnelle : chaque point de cet espace est attiré par la force de pesanteur produite par la Terre. On peut définir de tels champs pour toutes les forces qui agissent à distance, et notamment les forces de type électromagnétique comme le magnétisme : on aura par exemple un champ magnétique tout autour d’un aimant, parce que chaque point de l’espace est soumis à la force produite par cet aimant. Le champ magnétique autour de la Terre. Le champ gravitationnel autour de la Terre. 2.1.1 Le champ magnétique Expérience UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 5 Plaçons un aimant de forme rectangulaire sous une plaque de verre, ensuite soupoudrons la plaque de limaille de fer. Observation : Interprétation : Conclusion : Un champ magnétique------------------------------------------------------------------------------ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.1.2 L’électromagnétisme : interaction entre le courant électrique et le champ magnétique Lorsque l’on s’intéresse aux champs électrique et magnétique en même temps, on parle de champ électromagnétique. Faisons passer un courant électrique au voisinage d’une boussole Observations : Interprétation : Un champ électromagnétique __________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 6 2.2 L’onde électromagnétique Une onde électromagnétique est une vibration de ce champ électromagnétique. Un champ n’est pas quelque chose de matériel, donc on ne peut pas vraiment comparer la propagation électromagnétique à une propagation mécanique (comme des vagues). Il y a pourtant propagation parce que la modification de la valeur du champ électrique en un point entraîne celle du champ magnétique associé autour de ce point, et cette modification du champ magnétique entraîne à son tour une modification du champ électrique tout autour, etc. On peut considérer que l’onde électromagnétique, en modifiant la valeur des champs électrique et magnétique, « crée » en quelque sorte son support : en effet, même s’il n’existait pas, par exemple, de champ magnétique à un endroit, l’arrivée d’une onde électromagnétique va en créer un, à cause de la variation du champ électrique. Finalement, les champs électrique et magnétique « vibrent » (changent de valeur alternativement puis reviennent à leur valeur de départ) ensemble et l’énergie utilisée pour créer la première variation du champ électromagnétique est transportée à chaque variation successive. L’onde électromagnétique est un champ magnétique (B) et un champ électrique (E) qui vibrent ensemble. 3. L’onde lumineuse, un exemple d’onde électromagnétique 3.1 La vitesse de la lumière La lumière se propage dans le vide ainsi que dans la matière ; sa vitesse de propagation dépendant du milieu dans lequel elle se déplace. Dans le vide, la lumière se propage à la vitesse c de 3.108 m.s-1., c'est-à- dire 300.000.000 mètres par seconde, ou encore 300.000 kilomètres par seconde. La vitesse de la lumière dans le vide est l'une des constantes fondamentales de la physique. On notera donc pour la vitesse de la lumière : 𝑐 = 3. 108 𝑚/𝑠 UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 7 3.2 Lumière, longueur d’onde et couleur Autre caractéristique importante : sa longueur d'onde. Dans un milieu dispersif, celle-ci peut d'ailleurs influer sur la vitesse de propagation de la lumière. La longueur d'onde influe aussi sur la perception sensorielle de l'œil et donne ainsi à la lumière sa couleur. On peut relier la longueur d’onde à la vitesse et à la période/fréquence de l’onde. Cette relation a déjà été évoquée dans le cas des ondes sonores (λ = v.T). Comme la lumière est une onde périodique, la vitesse est donc une constante et on peut donc remplacer v par c. 𝑐 𝜆= = 𝑐.𝑇 𝑓 Par exemple, une radiation de longueur d’onde 450 nm dans le vide a une fréquence f = c/λ = 3,00.108/450.10-9 = 6,67.1014 Hz Exercices : 1/ Une onde électromagnétique a une longueur d’onde de 470 mn. Quelle est la couleur émise ? Calcule sa fréquence. D I F R 2/ Un rayonnement a une fréquence de 5,25.10 14 Hz. Calcule sa longueur d’onde. D I F R UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 8 4. La diffraction de la lumière 4.1 Concept de diffraction Soit une onde plane périodique rencontrant un obstacle ou une ouverture. Cas n°1 Cas n°2 L'ouverture a est de grande taille L'ouverture est de petite taille Dans le cas n°2, l'onde change de direction et de comportement sans changement de sa longueur d'onde: elle est diffractée (le phénomène mis en évidence s'appelle la diffraction). La diffraction est une propriété des ondes qui se manifeste par un étalement des directions de propagation de l'onde, lorsque celle-ci rencontre une ouverture ou un obstacle. La diffraction est nettement observée lorsque la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle est du même ordre de grandeur, ou inférieure, à la longueur d'onde. Remarque: Plus l'ouverture est petite, plus le phénomène de diffraction est marqué. 4.2. Application de la diffraction La diffraction de la lumière est essentiellement utilisée pour mesurer les dimensions d’un objet. En fonction de l’ordre de grandeur des dimensions de cet objet, différentes sources seront utilisées : Dans le domaine du visible pour des objets de petite taille (épaisseur d’un cheveu par exemple). Dans le domaine de Rayons X pour des objets à l’échelle atomique (arrangement des atomes dans un cristal, structure de molécules complexes, …) Mais le phénomène de diffraction peut également constituer une nuisance dans des systèmes optiques. Il limite l’aptitude à séparer les détails des instruments d’observation. UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 9 4.3 Cas des ondes lumineuses Réalisons l'expérience suivante: On observe sur l'écran une figure de diffraction. L'ouverture a diffracté la lumière du laser. Remarque: Dans le cas des ondes lumineuses, le phénomène est encore apparent avec des ouvertures ou des obstacles de dimensions d'ordre de grandeur jusqu'à 100 fois plus grandes que la longueur d'onde. UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 10 5. Le spectre électromagnétique Les ondes électromagnétiques couvrant une gamme immense de phénomènes différents, on a coutume de les représenter sous forme d’un schéma synthétique appelé le spectre électromagnétique. Les différents types d’ondes électromagnétiques y sont habituellement classés par ordre de fréquence croissante (ou, ce qui revient au même, par ordre de longueur d’onde décroissante) comme illustré ci-dessous. Si l’on parcourt le spectre électromagnétique des plus basses vers les plus hautes fréquences, on rencontre successivement les ondes radios, les micro-ondes, les ondes infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. Type d’onde Fréquence et Domaine d’application longueur d’onde Ondes radio Transmission radio et télévision Micro-ondes Ondes radar, four à micro-onde, Wi-Fi Infra-rouge Télécommandes de téléviseurs, chaine hi-fi, etc. Détermination de la température d’un objet. Lumière visible Elle ne représente qu’une petite « fenêtre » dans l’étendue des ondes électromagnétiques. Visible signifie ici détectable par l’œil humain, mais l’homme a développé des moyens de « voir » à l’aide de technologies sensibles à d’autres gammes de rayonnements UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 11  que la lumière visible (les infrarouges ou les rayons X par exemple). Les ultraviolets Ils sont émis par les étoiles et certaines lampes. Selon leur classe, ils activent plus ou moins fortement les réactions chimiques, et notre peau doit s’en protéger pour ne pas risquer de lésions irréversibles. Ils impressionnent les plaques photographiques et ont des effets bactéricides qui sont mis à profit pour stériliser certains aliments. Ils sont utilisés pour la polymérisation de certaines colles et de résines composites en dentisterie. Les rayons X Ils furent découverts fortuitement par l’allemand Röntgen en 1895. Ils sont capables de traverser la matière, surtout composée d’atomes légers, tandis qu’ils sont arrêtés par les atomes plus lourds (selon leur fréquence, à partir du calcium). Ils se prêtent donc particulièrement à l’examen des tissus internes d’un organisme sans devoir opérer. Mais comme la radioactivité, ils ont une action ionisante pouvant provoquer des mutations génétiques des cellules qu’ils traversent et doivent donc être utilisés avec grande prudence. Ils sont émis lors de certaines désintégrations Les rayons g radioactives, sont extrêmement pénétrants et ne sont arrêtés que par une épaisse couche de béton, de plomb ou d’eau. Exercices : Quel groupe d’ondes électromagnétiques permet d’effectuer chacune des actions suivantes ? a) Décongeler ou faire cuire des aliments. b) Voir à l’intérieur du corps. c) Lire un livre. d) Maintenir au chaud les poussins d’une couvée. e) Soigner certains cancers. f) Converser avec un téléphone cellulaire UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 12 6. Ondes et santé Si certaines ondes électromagnétiques sont sans danger, d’autres en revanche présentent des risques pour la santé, qui sont synthétisés dans ce schéma : Une onde, rappelons-le, transporte de l’énergie (sans transport de matière). Les ondes électromagnétiques en transportent donc également et, en atteignant un objet, elles lui cèdent une partie de cette énergie. L’énergie d’une onde électromagnétique est d’autant plus grande que sa fréquence est grande. A partir d’une fréquence de 3 PHz, l’énergie d’une onde électromagnétique est suffisante pour ioniser la matière. L’ionisation peut provoquer des ruptures moléculaires et causer des altérations génétiques au sein des cellules. On qualifie donc d’ionisantes les ondes électromagnétiques de fréquence supérieure à 3 PHz (c’est à dire une partie des rayons UV, les rayons X et les rayons gamma) et de non- ionisantes celles dont la fréquence est inférieure à cette valeur. Notons que ces dernières, bien que non-ionisantes, ne sont pas forcément inoffensives pour autant : la lumière visible peut altérer la rétine si l’on fixe le soleil en face, les micro-ondes utilisées en téléphonie mobile sont suspectées d’avoir des effets cancérigènes, le four à micro-ondes crée une élévation de température, etc. Les applications des ondes électromagnétiques, en particulier les micro-ondes, se sont multipliées, et certains spécialistes alertent l’opinion sur les dangers d’une pollution électromagnétique croissante de nos milieux de vie suite à l’introduction massive de nouvelles technologies de communication utilisant les ondes électromagnétiques (gsm, wifi, babyphones, commandes et détection à distance, etc). Tous les scientifiques s’entendent sur les dangers des rayonnements électromagnétiques à forte intensité, qu’ils soient ionisants, ultraviolets, microondes ou même hertziens. Mais il UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 13 n’en va pas de même pour savoir à partir de quelle intensité minimale des effets sanitaires, même à long terme, pourraient se produire. En particulier, la question de la dangerosité des micro-ondes (les gsm…) et des basses fréquences (les lignes à haute tension par exemple) est fortement controversée. En matière de santé, on peut généralement trouver sur Internet des informations semblant à priori contradictoires. C’est particulièrement le cas des effets sanitaires éventuels liés aux téléphones portables qui sont présentés tantôt de manière alarmistes et tantôt de manière rassurantes suivant les sites. A chacun, donc, de trouver son chemin en se méfiant de jugements péremptoires et en s’assurant de la fiabilité de l’information qu’il collecte. Notons par ailleurs que les sites officiels qui ne peuvent être suspectés d’alarmiste ne se privent pas pour autant de donner des conseils pour une utilisation raisonnée au quotidien. La question n’est donc pas tant « Les ondes électromagnétiques sont-elles dangereuses ? », mais plutôt « Comment utiliser les ondes électromagnétiques pour minimiser les risques pour sa santé ? ». UAA 17 – Les ondes électromagnétiques 14