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La science facile !

S'amuser à apprendre: des explications simples en quelques dizaines de ligne sur les concepts scientifiques et des projets et tutoriels en électronique, domotique, informatique, rétrogaming, etc.

La force électromagnétique

L'interaction électromagnétique est la force fondamentale la plus visible autour de nous. Elle explique les phénomènes suivants: la lumière visible mais aussi l'ultra violet et les infrarouges, les rayons X, les rayonnements micro-ondes, les ondes de la TV, de la radio FM, de la téléphonie mobile ou du wifi, ou encore le magnétisme et les aimants, ainsi que tous les phénomènes électriques (!), les réactions chimiques.... Bref, c'est LA force dont vous observez les effets au quotidien !

La particule médiatrice de cette force électromagnétique est le photon 

  • Quand vous voyez une étoile lointaine, c'est que les photons émis par cette étoile ont atteint votre rétine.
  • Quand vous voyez la couleur verte des feuilles d'un arbre, c'est que le flot de lumière venant du soleil et contenant des "photons verts", des "photons rouges", des "photons jaunes", etc. a heurté les feuilles de l'arbre, et que seuls les photons dont la fréquence correspond à la couleur verte ont rebondi sur les feuilles vers votre œil, tandis que tous les autres photons ont été absorbé et transformé en énergie par la chlorophylle de la feuille.
  • Quand de l'électricité transite dans un câble, c'est que, de proche en proche, les électrons échangent des photons (virtuels).

Si le flot de photon est vu comme une onde (je vous conseille de faire un détour par une explication sur la dualité onde-corpuscule), alors cette onde a une fréquence. Suivant la fréquence de cette onde, il s'agira soit de lumière visible, soit de wifi, soit d'ultraviolet, etc. Il n'y a aucune différence de nature entre ces ondes de fréquence différente, il s'agit toujours du même phénomène physique.

Pour mieux vous représenter tout ça, imaginez les ondes comme des vagues. La hauteur des vagues et des creux détermine l'amplitude de l'onde, c'est-à-dire le nombre de photon dans la vague. La distance entre deux vagues s'appelle la longueur d'onde et nous donne indirectement la fréquence, puisque la lumière se déplace à une vitesse fixe selon le milieu traversé. La fréquence nous donne le nombre de vague par seconde et détermine l'énergie portée par chaque photon de l'onde lumineuse, mesurée en eV pour électron Volt.

Si la distance entre deux vagues diminue:

  • la longueur d'onde diminue
  • la fréquence augmente
  • l'énergie portée par chaque photon augmente

Inversement, si la distance entre deux vagues augmente:

  • la longueur d'onde augmente
  • la fréquence diminue
  • l'énergie portée par chaque photon diminue
  • Les noms donnés aux bandes de fréquence sont purement arbitraires car il n'y a aucune différence de nature entre, par exemple, les rayons gamma et les ondes utilisées pour les radios FM: ce sont toutes des ondes électromagnétiques, portées par des photons. Les scientifiques ont donné des noms à des bandes de fréquence principalement pour distinguer leurs effets/propriétés, comme pour le spectre visible qui a pour caractéristique d'être... visible par l’œil humain.
  • un Hz (Hertz) signifie une "vague" de photon par seconde, 100 Hz veut dire 100 "vagues" par seconde, etc.
  • ce n'est pas très important, mais sur ce schéma, la largeur des bandes de fréquence est biaisée. Par exemple, on pourrait croire que la largeur de la bande de fréquence des AM (les "grandes ondes" historiques de la radio, j'en parle plus bas) est aussi large que celle de la FM, comme représenté sur le schéma. Or ce n'est pas le cas ! La FM va de 87.5 MHz (87 500 000 Hertz) à 108 MHz (108 000 000 Hertz) soit autour de 20 millions de Hertz de largeur, tandis que la bande AM (aux USA) va de 530 kHz (530 000 Hertz) jusqu'à 1 710 kHz (1 710 000 Hz) soit autour de 1 million de Hertz de largeur, donc 20 fois plus petite que la bande FM !
  • Plus la fréquence est élevée, moins l'onde se propage loin. C'est pour cette raison qu'en AM (fréquence plus faible), un seul émetteur suffit pour couvrir l'ensemble de la métropole, tandis qu'il en faut un peu partout pour diffuser les radios FM. Mais qui dit fréquence moins élevée, dit aussi moins de donnée transportée par l'onde, et donc un son de moins bonne qualité pour l'AM par rapport à la FM.
  • IR signifie infrarouge, littéralement "sous le rouge", car les infrarouges sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence est juste inférieure à la couleur rouge perceptible grâce aux yeux humains, mais certains animaux ont des yeux capables de voir dans l'infrarouge.
  • Les ondes électromagnétiques deviennent ionisantes quand les photons qui la constituent portent individuellement suffisament d'énergie pour arracher un (ou des) électron(s) aux atomes, ce qui transforme ces atomes en ions potentiellement capables de déteriorer les élements de notre corps, y compris l'ADN. On parle souvent de radicaux libres. Un ADN endommagé peut conduire à déclencher un cancer. Ces ondes ionisantes, ce sont toutes les ondes dont la fréquence est supérieure à celle de la lumière visible, ici listées des moins dangereuses aux plus dangereuses:
    • les ultraviolets: évitez de trop vous exposer au soleil, la crème ne protège jamais complètement!
    • les rayons X: c'est pour ça que vous ne pouvez pas faire une radio des poumons tous les deux jours 😉
    • les rayons gamma, que l'on ne croise heureusement jamais sur Terre dans des conditions normales. 😌
  • De même, UV signifie ultra violet, c'est-à-dire "au-dessus du violet". Certains animaux comme les abeilles arrivent à voir les ultra violets les plus proches du spectre lumineux.
  • Microwave signifie "micro onde". Ce sont des ondes dans cette bande de fréquence qui sont utilisées dans le four du même nom, pour une fréquence autour de 2,45 GHz. Dans le four à micro onde, cette fréquence permet de "secouer" les molécules d'eau. Or, comme la chaleur est simplement une agitation moléculaire, le plat est réchauffé de l'intérieur. Vous pouvez observer la grille, constituée de tout petit trous, visible sur la vitre de votre four à micro onde et qui empêche quasiment tout le rayonnement de sortir de votre four.
  • On peut remarquer que la fréquence du wifi "classique" est à 2,4 GHz, donc classée comme micro onde, et très proche de la fréquence émise par un four à micro onde, mais sans comparaison évidement en terme de puissance. wink

Si vous ne deviez lire qu'un seul ouvrage de vulgarisation, qui vous expliquera simplement la théorie de la relativité restreinte, de la relativité générale, de la mécanique quantique et qui offre une approche de la théorie des cordes, je vous conseille fortement l'univers élégant de Brian Green. C'est mon livre de chevet smiley

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À propos

Sly

Ingénieur en informatique travaillant pour une multinationale de télécommunication.
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ozias 29/05/2019 16:11

"Quand de l'électricité transite dans un câble, c'est que, de proche en proche, les électrons échangent des photons" ??? on parle de force électrique ou électromagnétique là ?

Sly 03/06/2019 09:54

Bonjour et désolé pour la réponse tardive, long week-end oblige,

la particule médiatrice de la force électromagnétique, qui explique notamment les phénomènes électriques, est le photon.

Le plus souvent, concernant les phénomènes électriques, on parle de champ (aspect ondulatoire), mais une deuxième vision (du même phénomène, cf. la dualité onde-corpuscule) est valide, même si nettement moins utilisée pour décrire les phénomènes électriques: la vision corpusculaire. Dans cette vision, on représente le courant électrique comme des échanges de photons virtuels, de proche en proche.

Mais vous n'êtes pas le seul à "bondir" sur ce sujet ;)

Cordialement