Zone de Texte: Les ondes électromagnétiques























Depuis très longtemps, probablement depuis l'époque de la Grèce et de la Chine antiques, l'homme remarque que certaines pierres ont le pouvoir d'attirer le fer. Il remarquera ensuite que, suspendues à un fil, ces pierres se tournent toujours dans la même direction, constituant ainsi l'ancêtre de la boussole : Ce principe aurait été découvert par les Chinois, puis mis en œuvre vers 1100, avant d'être diffusé en Europe par les Arabes à partir de la fin du XIIe siècle.

Ces pierres sont d’abord appelées pierres d'aimant. Ce mot aimant désigne le minerai de fer oxydable dont une des propriétés est d'attirer le fer. Cet aimant est l'aimant naturel dit aussi pierre d'aimant. On distinguait autrefois l'aimant en aimant mâle et aimant femelle : le premier, de couleur bleuâtre, et le meilleur, venant de la Chine et du Bengale ; le second, d'un roux noirâtre, et se trouvant en Allemagne et dans quelques endroits d'Italie. L'aimant artificiel est un barreau de fer aimanté par frottement à l'aide de la pierre d'aimant ou de toute autre façon.

Les deux pôles d'un aimant sont les deux points où sa faculté attractive est la plus puissante. Armer un aimant, consiste à l'envelopper d'une plaque de fer doux qui en rend la puissance plus grande.

L’étymologie du mot aimant nous amène au mot diamant et aussi quelquefois aimant qui est un terme grec signifiant fer, acier, diamant, dérivé de deux mots traduits par alpha privatif et je dompte ; mot à mot, l'indompté. Adamantem a donné en provençal aziman, en ancien français aïmant, d'où par contraction aimant, qui du reste est le même mot que diamant.

Les premières études scientifiques connues sur le magnétisme seraient dues au physicien anglais William Gilbert (1544-1603) qui publie en 1 600 ses travaux dans une œuvre « magnete », qui traite aussi de l'attraction électrostatique. Ce ne sera que vers le 19ème siècle qu'une relation entre électricité et magnétisme sera mise en évidence. L'électromagnétisme n'est pas une inconnue de la science.

Dès lors, l’électromagnétisme constituera une des parties les plus importantes de la physique.

L'électromagnétisme a pour but d'expliquer les phénomènes électriques et magnétiques ; il prend en considération les applications de l'électricité, de la production d'énergie électrique (alternateurs, dynamos) au transport et distribution de l'énergie électrique, de son utilisation, ondes électromagnétiques (qui groupent le rayonnement g, les rayons X, l'ultraviolet, la lumière visible, l'infrarouge et les ondes radioélectriques).

La matière étant composée de particules chargées positivement (noyaux atomiques) et négativement (électrons), on peut dire que l'électromagnétisme est présent au plus intime de la matière, y compris celle des êtres vivants.

Les phénomènes électromagnétiques sont exploités dans de nombreux appareils, notamment dans les générateurs et les moteurs électriques.

C’est le mathématicien et physicien français André-Marie Ampère (1775-1836), qui est considéré comme étant le fondateur de l'électromagnétisme, même s’il n’en est pas l’inventeur !

Il a été constaté que l’interaction électromagnétique s’exerce entre toutes les particules possédant une charge électrique.

Tout système de particules chargées est la source d’un champ électromagnétique qui peut être calculé à l’aide des équations de Maxwell. Ce champ est caractérisé par deux vecteurs notés E (champ électrique) et B (champ magnétique).

Dans le cas particulier de charges immobiles, B est nul et les propriétés du champ E sont celles de l’électrostatique. Toute charge en mouvement accéléré émet des ondes électromagnétiques. Ce phénomène est appelé rayonnement électromagnétique. Les applications de l’électromagnétisme ont joué un rôle croissant tout au long du vingtième siècle, comme, par exemple, la communication à distance à l’aide d’ondes hertziennes, la télévision, le radar, le maser, le laser, les appareils à micro-ondes, etc.

La connaissance de l’électricité est très ancienne. Dès le 6e siècle avant Jésus Christ, les Grecs constatèrent que l'ambre frotté attirait de nombreux corps légers.

Au dix-huitième siècle, il fut constaté que l’on peut faire apparaître par frottement deux sortes d’électricité, appelées positive et négative, ces observations nous amenèrent au concept de charge électrique : des objets chargés se repoussent ou s’attirent selon qu’ils portent des charges de même signe ou de signes contraires.

La loi fondamentale de cette interaction, dite électrostatique, homologue de la gravitation universelle de Newton, fut établie en 1785 par Coulomb. À partir de 1800, la pile de Volta permit de réaliser les premiers courants électriques. À la suite de l’expérience réalisée en 1820 par Œrsted et analysée par Laplace et Ampère, on découvrit les actions dites électrodynamiques qui s’exercent entre les courants et on établit que le champ magnétique créé par un courant est proportionnel à l’intensité de celui-ci, c’est-à-dire à la charge qu’il transporte par unité de temps.

L’étude des courants électriques (électrocinétique) fut complétée en 1826 par Ohm, qui établit la relation entre l’intensité traversant un conducteur et la différence de potentiel aux bornes de celui-ci et définit ainsi la notion de résistance.

En 1831, c’est Faraday qui dégagea le concept de force électromotrice et établit les lois du phénomène d’induction électromagnétique, ouvrant ainsi la voie aux applications techniques de l’électricité (générateurs, dynamos, transformateurs, etc.) dont l’étude constitue l’électrotechnique.

En 1841, Joule établit les lois régissant le dégagement de chaleur dans un conducteur (effet Joule).

En 1864, c’est Maxwell qui prédit l’existence des ondes électromagnétiques (qui seront mises en évidence expérimentalement en 1885 par Hertz) et montra l’unité profonde de l’électrostatique et du magnétisme, fondant ainsi l’électromagnétisme.

À la fin du 19ème siècle, la découverte de l'électron ouvrit la voie aux réalisations ultérieures de l'électronique. On distingue fondamentalement : l'électrostatique, qui traite de l'ensemble des phénomènes dus à la présence de charges électriques immobiles, et l'électrocinétique, qui traite plus particulièrement des phénomènes que provoque le déplacement de ces charges. Les interactions entre champ magnétique et courant électrique sont exclues de l'électrocinétique ; leur étude constitue l'électrodynamique.

L’électrocinétique montre qu’un courant électrique se produit lorsqu’on réunit par un conducteur deux points qui se trouvent à des potentiels différents. Le passage de ce courant s’accompagne d’un dégagement de chaleur (effet Joule) et d’un effet électromagnétique.

L'électricité joue un rôle considérable. Facile à transporter et à distribuer, l'énergie électrique a révolutionné les moyens de production et la vie de l'homme. Représentant environ le tiers de l'énergie consommée, elle est produite, dans des centrales électriques, par transformation d'énergie thermique, hydraulique ou nucléaire.

Cette opération se fait par l’intermédiaire de générateurs de courant continu ou d’alternateurs. Si l’énergie thermique est de plus en plus produite par le pétrole, bientôt la production d’énergie électrique au moyen de piles solaires, de piles à combustibles, de générateurs magnétohydrodynamiques, à fusion nucléaire, etc., sera cause de progrès considérable en ce domaine.

L’énergie électrique est transportée quelquefois par des courants continus, le plus souvent par des courants alternatifs. L’électricité a rendu possible la mise au point de moteurs électriques très variés, et les usages industriels de l’électricité sont extrêmement divers.

Ainsi, les phénomènes électrostatiques permettent le dépoussiérage des fumées d’usine, la photocopie, la concentration du faisceau électronique d’un tube cathodique de téléviseur, la peinture électrostatique, etc.

L’électricité est la base des procédés d’électroérosion, d’électroformage, d’usinage par jet de plasma et par faisceau d’électrons. L’éclairage sous toutes ses formes est dû à l’électricité.

Les transports constituent un champ d’application immense de l’électricité, qu’il s’agisse de traction électrique, de signalisation, de communication, de l’automobile, de l’aviation ou de la marine. Les utilisations domestiques sont multiples (électroménager).

Il est un domaine privilégié des champs d’application de l’électricité, c’est radioélectricité.

La radioélectricité constitue un domaine qui recouvre la production, la transmission et la réception des ondes électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 3 000 hertz (3 kHz) et 300 milliards de hertz (300 GHz ou gigahertz), donc de longueur d’onde comprise entre 100 km et 0,1 cm. Ces ondes sont appelées ondes hertziennes ou ondes radioélectriques. Suivant leur longueur, elles sont classées en : ondes kilométriques, dont la longueur d’onde est comprise entre 1 000 et 10 000 m, soit de 300 à 30 kHz ; ondes hectométriques, de 100 à 1 000 m, soit de 3 MHz à 300 kHz ; ondes décamétriques, de 10 à 100 m, soit de 30 MHz à 3 MHz ; ondes métriques, de 1 à 10 m, soit de 300 MHz à 30 MHz ; ondes centimétriques et millimétriques, de 0,1 à 10 cm, soit de 300 GHz à 3 GHz.

Les ondes radioélectriques sont produites naturellement ; ainsi, les astres émettent en permanence des ondes radioélectriques (captées par des radiotélescopes). Elles peuvent être produites artificiellement en faisant passer un courant alternatif de fréquence suffisamment grande dans un circuit électrique appelé antenne.

La puissance rayonnée par une antenne est d’autant plus grande que la fréquence et l’intensité du courant sont grandes. Les ondes radioélectriques se propagent directement, par réflexion sur le sol ou sur les hautes couches de l’atmosphère (ionosphère), ou par diffraction sur les obstacles rencontrés.

La détection des ondes radioélectriques s’effectue au moyen d’une antenne qui recueille les signaux émis, grâce au phénomène d’induction électrique (création d’un courant dans le circuit électrique constitué par l’antenne). Les signaux sont alors amplifiés en utilisant le phénomène de résonance. La transmission d’informations par les ondes radioélectriques s’effectue au moyen d’une onde porteuse de haute fréquence dont on module l’amplitude, la fréquence ou la phase en fonction des signaux de basse fréquence représentant les informations à transmettre.

Les applications de la radioélectricité sont très nombreuses : radiodiffusion, télévision, radionavigation, radioguidage, radar, télécommunications, etc.

Encore un mot sur les connaissances scientifiques concernant le rayonnement électromagnétique car c’est celui qui, en fait, nous intéresse le plus dans les paragraphes suivants.

Les propriétés d’un rayonnement électromagnétique dépendent grandement de la longueur d’onde de celui-ci, aussi donne-t-on habituellement un nom particulier à chaque domaine du spectre électromagnétique.

Au-delà d’une longueur d’onde de 0,3 mm (énergie inférieure à 0,04 eV), ce sont les ondes hertziennes ; de 0,3 mm à 0,8 µm (1,5 eV) et les rayons infrarouges. Les rayonnements électromagnétiques, les rayons infrarouges se chevauchent (à partir de 125 micromètres) avec les ondes radioélectriques.

Tout corps chauffé émet un rayonnement infrarouge. Les applications des infrarouges sont très nombreuses : astronomie (étude de la constitution des étoiles), météorologie (photographies prises par les satellites), observation de nuit (lunette à infrarouge), détection des missiles en vol et des lancements de fusées, étude de la végétation, recherches archéologiques, etc.

Le rayonnement lumineux visible occupe un domaine très étroit, de 0,8 µm à 0,4 µm (3 eV).

En deçà de 0,4 µm et jusqu’à 10-8 m (100 eV), ce sont les rayons ultraviolets. Les rayonnements ultraviolets possèdent un pouvoir ionisant très élevé. Ceux qui proviennent du Soleil ioniseraient les gaz de la haute atmosphère et seraient à l’origine de l’ionosphère. Les rayons ultraviolets sont fortement absorbés par les cellules vivantes qu’ils modifient (pigmentation de la peau, multiplication des globules sanguins, parfois cancers). Ils ne sont pas les seuls. La couche d’ozone de la haute atmosphère nous protège de l’action néfaste des ultraviolets.

Deux mots sur l’ozone s’imposent en raison de son importance : la molécule d’ozone comprend trois atomes d’oxygène. L’ozone se liquéfie à - 112° Centigrade et se solidifie à - 250° Centigrade. C’est un oxydant très puissant, il oxyde à froid tous les métaux, même l’or et le platine. La mince couche d’ozone de l’atmosphère, située à une altitude de 20 à 30 km, absorbe la quasi-totalité des rayons ultraviolets et nous protège ainsi contre leur action. Cette couche protectrice d’ozone pourrait être détruite par les fréons certains fluorocarbonés, dont le fréon, sont utilisés comme fluides frigorigènes ; d’autres, comme gaz propulseurs dans les bombes aérosols ; en remontant dans la haute atmosphère en quantité importante, ils pourraient détruire la couche protectrice d’ozone. En effet, les fréons utilisés comme gaz propulseurs dans les bombes à aérosols libèrent du chlore. Par la dissociation des fréons, sous l’action des rayons ultraviolets, cette libération de chlore transforme l’ozone en oxygène. Le monoxyde d’azote libéré par les réacteurs des avions volant à l’altitude de la couche d’ozone (supersoniques, en particulier) provoque également la dissociation de l’ozone. L’ozone détruit les germes pathogènes ; il est utilisé pour purifier l’air et stériliser les eaux. On l’emploie également pour le blanchiment des tissus et le vieillissement des alcools.

De 10-8 m à 2.10-¹¹ m, nous avons les rayons X. Les rayons X sont absorbés par les éléments de numéro atomique élevé ; cette propriété permet de les utiliser pour examiner des organes internes (radiographie) ou pour détecter les défauts de pièces métalliques (radiométallographie). La forte énergie des rayons X leur permet de détruire certaines tumeurs (radiothérapie) ; leur faible longueur d’onde entraîne leur diffraction par les cristaux (la diffraction est la modification de la direction de propagation d’une onde au voisinage d’un obstacle et notamment quand elle traverse une ouverture).

Les rayons gamma (U) sont des ondes électromagnétiques de longueurs d'onde inférieures à 2.10-¹¹ M. Encore plus pénétrants que les rayons X, les rayons U ne sont arrêtés que par de fortes épaisseurs de béton ou de plomb.

Le rayonnement thermique, forme particulière de rayonnement électromagnétique, résulte de l’agitation thermique des particules qui constituent la matière. La répartition spectrale de ce rayonnement dépend de la température. La longueur d’onde du maximum d’émission est d’autant plus faible que la température absolue T du corps émetteur est élevée. La puissance M. rayonnée par unité de surface, toutes directions et toutes longueurs d’onde comprises, est appelée rémittence. M. croît fortement avec la température T.

Les lois du rayonnement thermique ne sont simples que pour le corps idéal, appelé corps noir, qui absorbe intégralement le rayonnement qu’il reçoit : la longueur d’onde du maximum d’émission est inversement proportionnelle à T (loi de Wien), l’éminence est proportionnelle à T4 (loi de Stefan). On obtient une bonne réalisation matérielle du corps noir en pratiquant une ouverture de petit diamètre dans la paroi d'un four dont la surface intérieure est noircie.

En étudiant les ondes hertziennes qui proviennent des diverses régions du ciel, on a découvert en 1965 que l’Univers tout entier semble baigner dans un rayonnement électromagnétique dont la répartition en longueur d’onde correspond à l’émission d’un corps noir porté à 2,7 kelvins. Ce phénomène a reçu le nom de rayonnement cosmologique, car, dans le cadre de la théorie de l’expansion de l’Univers, il s’interpréterait comme la trace de l’explosion initiale : ce qui est plus que contestable, c’est franchement ridicule (voir l’Univers en expansion) !

Les principales propriétés des ondes électromagnétiques sont que leur énergie peut être :
Stockée très longtemps
Transportée mécaniquement ou par conducteur à structure moléculaire propice (cuivre, or, etc., sans oublier les supraconducteurs qui révolutionneront le monde scientifique de ce siècle) et être utilisée ensuite de manières diverses.

Techniquement, les ondes électromagnétiques d'origine solaire ou tellurique, ou leur énergie plus exactement, sont utilisées par récupération :
Directe : éclairage, chauffage, etc.
Indirecte, en les reprenant à la magnétite par exemple (matière physique apte à accumuler cette énergie, et à la restituer sans danger de bouleversement nucléaire, ce qui n'est pas le cas de l'uranium), pour l'utiliser sous le nom d'électricité :
Par transformations chimiques (énergie nucléaire…
Par transformations mécaniques (chute d'eau...)
Par transformations thermiques : capteurs thermiques (dits solaires), vent, sources d'eau chaude, serres…
Par transformations biologiques reprises chimiquement : pétrole, alcool, charbon, etc.

Pour revenir au monde vivant, chaque entité, humaine, animale ou végétale possède la particularité de capter cette énergie électromagnétique, de l'accumuler d'une manière ou d'une autre et de l'utiliser pour survivre.

Lorsque je parle d'énergie électromagnétique, je regroupe l'ensemble des rayonnements : solaire, tellurique, planétaire, sans oublier les effets provoqués par certaines masses physiques (la matière accumule également de l'énergie électromagnétique), tel que la lune mais aussi toutes les masses qui nous entourent.

Si le soleil est effectivement l'astre qui nous en apporte le plus, nous en recevons aussi de nombreuses autres planètes et aussi du noyau terrestre.

Le rayonnement du noyau terrestre que nous appelons « énergie tellurique » exerce sur nous une influence importante, ceci est vrai aussi pour les animaux ou plantes à tel point que certaines vivent sous Terre, en milieu aquatique et même certains animaux (qui seront prochainement découverts) qui vivent dans des milieux très « pollués », en milieu sulfureux en l'absence total d'oxygène.

De nombreuses découvertes restent encore à faire sur notre planète sur le règne animal et végétal. Voyons comment cela se passe chez l'homme. 
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