Les ondes électromagnétiques (EM) sifflent autour de vous à tout moment, et leur étude représente un domaine crucial de la physique. Comprendre, classer et décrire les différentes formes de rayonnement électromagnétique a aidé la NASA et d'autres entités scientifiques à pousser la technologie humaine dans et au-delà de territoires jusque-là inexplorés, souvent de manière spectaculaire. Pourtant, seule une infime fraction des ondes EM est visible à l'œil humain.
En physique, une certaine quantité de mathématiques est inévitable. Mais la bonne chose dans les sciences physiques est que les mathématiques ont tendance à être logiquement "soignées" - c'est-à-dire, une fois que vous êtes familiarisé avec les équations de base de la mécanique classique (c'est-à-dire, généralement, de grandes choses visibles se déplaçant), les équations de l'électromagnétisme semble familier, juste avec différentes variables.
Pour mieux comprendre les champs électromagnétiques et les ondes, vous devriez avoir une connaissance de base des équations de Maxwell, dérivée par James Clerk Maxwell dans la seconde moitié des années 1800. Ces équations, dont dérive la solution générale pour les ondes EM, décrivent la relation entre l'électricité et le magnétisme. À la fin, vous devez également comprendre ce que signifie "être" une onde - comment ces Les équations de Maxwell officialisent la relation entre l'électricité et le magnétisme et décrire tous ces phénomènes. S'appuyant sur les travaux de physiciens tels que Carl Gauss, Michael Faraday et Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell a découvert que les équations produites par ces scientifiques concernant les champs électriques et magnétiques étaient fondamentalement saines, mais imparfaites. Si vous ' ne connaissez pas le calcul, ne vous découragez pas. Vous pouvez suivre assez bien sans rien résoudre. N'oubliez pas que l'intégration n'est rien de plus qu'une forme intelligente de recherche de l'aire sous une courbe dans un graphique en ajoutant des tranches incroyablement minuscules de cette courbe. De plus, même si les variables et les termes peuvent ne pas signifier grand-chose au début, vous y reviendrez à plusieurs reprises tout au long de l'article alors que les "lumières" continuent de s'éclairer pour vous sur ce sujet vital. La première équation de Maxwell est dérivé de la loi de Gauss Ici, le triangle à l'envers ("nabla" ou "del") représente un opérateur de gradient en trois dimensions, ρ La deuxième équation de Maxwell est la loi de Gauss pour le magnétisme, dans laquelle , contrairement au cas des champs électriques, il n'existe pas de "charge magnétique ponctuelle" ou de monopôle magnétique La loi stipule en effet que chaque ligne d'un champ magnétique B La troisième équation de Maxwell (loi de Faraday d'induction magnétique) décrit comment un champ électrique est créé par un champ magnétique changeant. Le drôle "∂" signifie "dérivée partielle" et implique une fluctuation. Mis à part les symboles étranges, la relation montre qu'un changement de flux électrique résulte à la fois d'un champ magnétique non constant La quatrième équation de Maxwell (la loi d'Ampère-Maxwell) est la source du puits pour les autres, pour la correction de Maxwell à l'incapacité d'Ampère de tenir compte des courants non stationnaires ondulant dans les trois autres équations avec leurs propres facteurs de correction. L'équation est dérivée de la loi d'Ampère et décrit comment un champ magnétique est généré par un courant (charge en mouvement), un champ magnétique changeant ou les deux. Ici, μ Une fois que Maxwell a officialisé sa compréhension de l'électricité et du magnétisme avec ses équations, il a cherché différentes solutions aux équations qui pourraient décrire de nouveaux phénomènes. Puisqu'un champ électrique changeant génère un champ magnétique et un changement champ magnétique génère un champ électrique, Maxwell a déterminé qu'une onde électromagnétique auto-propagative pourrait être générée. En utilisant ses équations, il a déterminé que la vitesse d'une telle onde aurait une vitesse égale à la vitesse de la lumière. Cela ne s'est pas avéré être une coïncidence et a conduit à la découverte que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique! En général, les ondes sont des oscillations dans un milieu qui transfèrent l'énergie d'un endroit à un autre. Les ondes ont une longueur d'onde, une période et une fréquence qui leur sont associées. La vitesse v L'unité SI de longueur d'onde est le mètre, bien que les nanomètres soient plus fréquemment rencontrés car ils sont plus pratiques pour le spectre visible. La fréquence est mesurée en cycles par seconde (s -1) ou hertz Pour le cas d'une onde électromagnétique, contrairement à la situation avec des ondes mécaniques, v L'équation d'une onde est y \u003d A sin (kx - ωt), où A ω est la fréquence angulaire 2π /T. Une onde électromagnétique se compose d'une onde de champ électrique ( E Puisque le rayonnement électromagnétique agit comme une onde, toute onde électromagnétique particulière aura alors une fréquence et une longueur d'onde qui lui seront associées. Une autre contrainte est que, puisque la vitesse des ondes électromagnétiques est fixée à c \u003d 3 × 10 8 m /s, la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide (également utilisée pour la vitesse de la lumière dans l'air pour des approximations rapprochées) . Une fréquence plus basse est donc associée à des longueurs d'onde plus longues et vice versa. Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin d'un milieu tel que l'eau ou le gaz pour se propager; par conséquent, ils peuvent traverser le vide de l'espace vide lui-même à la vitesse la plus rapide de l'univers entier! Les ondes électromagnétiques sont produites sur une vaste gamme de fréquences et de longueurs d'onde. Commençant par une basse fréquence (énergie plus basse) et donc une longueur d'onde plus longue, les différents types de rayonnement EM sont: Parce que le rayonnement électromagnétique a à la fois les propriétés d'une onde et agit comme une onde lorsqu'il est mesuré en tant que tel, mais agit également comme une particule (appelée photon Un courant constant produit une champ, tandis qu'un courant changeant induit un champ magnétique changeant. Si le changement est régulier et cyclique, on dit que les ondes (et les champs associés) oscillent ou "bougent" rapidement dans un plan. Le même principe essentiel fonctionne à l'envers: Un champ magnétique oscillant induit un champ électrique oscillant. Les ondes électromagnétiques résultent de cette interaction entre les champs électriques et magnétiques. Si une charge se déplace d'avant en arrière le long d'un fil, elle crée un champ électrique changeant, qui à son tour crée un champ magnétique changeant, qui se propage ensuite comme une onde électromagnétique, capable d'émettre des photons. Il s'agit d'un exemple de deux ondes transversales (et champs) se coupant pour former une autre onde transversale. Les gens confondent souvent ces deux types d'ondes simplement parce qu'ils sont si familiers avec l'écoute de la radio. Mais les ondes radio sont, comme vous le savez maintenant, une forme de rayonnement électromagnétique. Ils voyagent à la vitesse de la lumière et transmettent des informations de la station de radio à votre radio. Cependant, ces informations sont ensuite converties en mouvement d'un haut-parleur, ce qui produit des ondes sonores, qui sont des ondes longitudinales Un phénomène appelé décalage de fréquence Doppler dans le rayonnement EM permet aux astrophysiciens de dire si les objets dans l'espace se déplacent vers nous ou s'éloignent de nous, car un objet stationnaire émettant des ondes EM montrera un modèle différent de celui qui se déplace, relatif à un observateur fixe. Une technique appelée spectroscopie permet aux chimistes de déterminer la composition des gaz. L'atmosphère terrestre protège la biosphère du rayonnement ultraviolet le plus nocif et d'autres rayonnements de plus haute énergie tels que les rayons gamma. Les fours à micro-ondes pour la cuisson des aliments ont permis aux étudiants de préparer des repas dans leurs dortoirs. Les signaux de téléphone portable et de GPS sont un ajout relativement récent mais déjà critique à la liste des technologies dépendantes de l'énergie EM.
ondes particulières sont un peu différentes.
Équations de Maxwell
pour les champs électriques, qui stipule que le flux électrique net à travers une surface fermée (comme l'extérieur d'une sphère) est proportionnel à la charge à l'intérieur:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}
est la densité de charge par unité de volume et ε
0 est la
. Au lieu de cela, les lignes de champ magnétique apparaissent sous forme de boucles fermées. Le flux magnétique net à travers une surface fermée sera toujours égal à 0, ce qui résulte directement du fait que les champs magnétiques sont dipolaires.
entrant dans une zone choisie le volume dans l'espace doit sortir de ce volume à un certain point, et c'est donc le prochain flux magnétique à travers la surface est donc nul.
et oblige à le faire.
0 est la perméabilité de l'espace libre. L'équation montre comment le champ magnétique à l'intérieur d'une zone donnée autour du courant dans un fil J
change avec ce courant et avec le champ électrique E
.
Implications des équations de Maxwell
Propriétés des ondes
d'une onde est sa longueur d'onde λ
fois sa fréquence f
, ou λf \u003d v.
(Hz), après Heinrich Hertz. La période T
d'une onde est le temps qu'il faut pour terminer un cycle, ou 1 /f.
est constant dans toutes les situations, ce qui signifie que λ
varie inversement
avec f
. Autrement dit, des fréquences plus élevées impliquent des longueurs d'onde plus courtes pour un v
donné. «Haute fréquence» signifie également «haute énergie»; c'est-à-dire que l'énergie électromagnétique E
en joules (J) est proportionnelle à f
, via un facteur appelé constante de Planck h
(\u003d 6,62607 × 10 - 34 J).
est l'amplitude, x
est le déplacement le long de l'axe des x, k
est le nombre d'onde 2π /k, et
Que sont les ondes électromagnétiques?
) oscillant dans un plan perpendiculaire (à angle droit) à une onde de champ magnétique ( B
). Si vous vous imaginez comme une vague d'ondes électromagnétiques ("se propageant") à travers un sol de niveau, la composante d'onde E
oscille dans un plan vertical à travers votre corps et l'onde B
oscille dans le plancher horizontal.
Le spectre électromagnétique
Dualité particule-onde
) lorsqu'elle est mesurée en tant que telle, nous disons qu'elle a une dualité particule-onde.
Comment les ondes électromagnétiques sont-elles produites?
En quoi les ondes radio sont-elles différentes des ondes sonores?
dans l'air (comme celles d'un étang après avoir été dérangé par un rocher lancé).
Exemples quotidiens d'ondes électromagnétiques
