Onde électromagnétique

Tout rayonnement d'énergie connu et mesurable, à l'exception des rayons de particules directs (par exemple les électrons ou les rayons alpha), sont des ondes électromagnétiques. La diversité des ondes électromagnétiques résulte uniquement de leurs différentes longueurs d'onde. Les ondes électromagnétiques comprennent entre autres les ondes radio, les ondes TV, le rayonnement des téléphones portables, les micro-ondes, le rayonnement thermique, la lumière et ses différentes couleurs, le rayonnement UV, les rayons X et les rayons gamma.

Propriétés des ondes électromagnétiques

Alors toutes les ondes de la radio et de la télévision peuvent avoir une longueur d'onde allant de moins d'un mètre à plusieurs mètres, la longueur d'onde typique du rayonnement des téléphones portables se situe aux alentours de 10 cm, suivie par les micro-ondes de mm et de cm, encore plus courtes. Entre mm et µm, nous percevons le rayonnement électromagnétique sous forme de chaleur sur la peau. Dans la zone inférieure à 1 µm, le rayonnement devient visible à environ 700 nm sous forme de couleur rouge, pour prendre les couleurs jaune, verte et bleue lorsque la longueur d'onde diminue, jusqu'à ce que les ondes inférieures à 350 nm redeviennent invisibles sous forme de lumière ultraviolette. Les rayons X sont alors plus courts que 1 nm et se transforment finalement en rayons gamma, encore plus courts.

Outre la longueur d'onde, chaque onde est également caractérisée par son amplitude, c'est-à-dire la hauteur de la crête de l'onde. Le carré de l'amplitude de l'onde est proportionnel à l'intensité du rayonnement incident. Cela signifie que l'amplitude des ondes lumineuses est multipliée par dix lorsque l'intensité d'un rayon lumineux est multipliée par cent.

Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide et, approximativement, dans l'air, à la vitesse de la lumière dans le vide c = 3•10⁸ m/s. Cela signifie que le rayonnement électromagnétique parcourt 300 000 km en une seconde, soit une distance correspondant à environ 7,5 fois la circonférence de la Terre à l'équateur.

La signification des équations de Maxwell

Les ondes électromagnétiques sont décrites mathématiquement par l'électrodynamique. A l'aide des équations de Maxwell, l'existence des ondes électromagnétiques a même été anticipée et calculée avant même que la preuve expérimentale de l'existence des ondes électromagnétiques ne soit apportée (par exemple via la mise en évidence du rayonnement d'énergie à partir d'une antenne dans laquelle des électrons oscillent dans un mouvement de va-et-vient).

En évaluant précisément les équations de Maxwell, il est possible de montrer que les ondes électromagnétiques sont constituées de champs électriques et magnétiques oscillants qui sont perpendiculaires les uns aux autres et se génèrent mutuellement. Lors de la propagation, un champ magnétique est généré pendant une oscillation du champ électrique ce qui provoque à nouveau un champ électrique.

Propagation des ondes électromagnétiques

Dans le schéma ci-dessous, les ondes électriques et magnétiques sont représentées comme des oscillations de corde qui se propagent dans une direction spatiale donnée. Il s'agit d'une image très simplifiée. En effet, les vibrations électromagnétiques remplissent tout l'espace tridimensionnel. La représentation présentée dans l'illustration doit donc plutôt être comprise comme l'intensité des champs électriques et magnétiques le long d'une ligne imaginaire.

Les ondes électromagnétiques dans la théorie quantique

Dans la théorie quantique, il a été démontré que les ondes électromagnétiques n'apparaissent que sous forme de paquets ayant une énergie minimale déterminée. L'image des ondes électromagnétiques a ainsi été remplacée par une image de paquets d'ondes électromagnétiques qui peuvent se comporter aussi bien comme des particules que comme des ondes. Dans ce contexte, l'énergie d'un paquet d'ondes est d'autant plus grande que la longueur d'onde est courte. C'est pourquoi les quanta des rayons X et des rayons gamma (rayonnement électromagnétique radioactif) de très courte longueur d'onde sont fortement chargés en énergie et, par conséquent, très destructeurs dans leur action sur la matière.