La nature de la lumière ou l’électromagnétisme

On entend souvent: « La lumière est une onde électromagnétique ». Ce qui est vrai dans un sens mais la nature est subtile et cette définition de la lumière est insuffisante. La lumière peut être assimilée à une onde électromagnétique dans une certaine mesure mais tous les phénomènes observés ne peuvent être expliqués par cette onde.

La physique quantique nous explique que la lumière peut être assimilée, soit à une onde, soit à des petits corpuscules (appelés photons) selon les expériences réalisées: c’est la dualité onde-corpuscule. Je n’irai pas plus loin dans l’explication quantique de ce concept complexe, je vous propose ici une tentative d’explication de cette « onde » qui se prétend « électromagnétique ». Quelques équations sont écrites mais n’ayez pas peur.

Le mot « électromagnétisme » est un mélange d’ électricité et de magnétisme.

- L‘électricité, est définie en physique, comme un déplacement d’électrons. Pour une description plus approfondie, voir un billet précédent intitulé L’électricité.

- Le magnétisme a été défini dans le billet précédent : Le magnétisme

Maintenant, fusion et interaction des deux phénomènes : la théorie électromagnétique, établie par James Maxwell vers 1860, eh oui, cela ne date pas d’hier. Outre Maxwell, on compte un grand nombre de génies qui ont contribué à cette grande théorie :Lorentz, Gauss, Ampère et Faraday !!

L’électromagnétisme est une théorie d’unification. Cela veut dire qu’à partir des mêmes équations, tous les phénomènes électriques et magnétiques peuvent être expliqués. Le but étant évidemment de faire interagir les phénomènes avec un minimum d’équations. Pour l’électromagnétisme il y a juste 4 équations aux dérivées partielles (les fameuses équations de Maxwell), qui s’écrivent à l’aide de quelques lettres uniquement mais qui renferment une quantité incroyable d’informations. Maxwell lui même ne soupçonnait pas tout. C’est grâce à l’électromagnétisme qu’est née la théorie de la relativité restreinte d’Einstein. L’existence des ondes électromagnétiques est contenue dans ces équations.

Ecrit de cette manière on ne le voit pas, mais la vitesse de la lumière est cachée dedans. Le coefficient du deuxième terme de l’équation (4) est égale à ‘e₀.m₀’_. Ces deux constantes représentent la permittivité électrique et la perméabilité magnétique du vide. Peu importe leurs significations physiques, retenons juste que la première (e_0, prononcez epsilon zéro) se rapporte aux phénomènes électriques et la deuxième (m₀, prononcez mu zéro) aux phénomènes magnétiques. Ce sont 2 constantes intrinsèques au vide, et ce qui est « magique » c’est que la vitesse de la lumière dans le vide (représentée par la lettre ‘c’ comme célérité) découle directement de ces 2 constantes (étonnant non ?) :

Désormais, c’est la vitesse de la lumière (c) et la perméabilité magnétique (m₀) qui permettent de calculer la permittivité électrique e₀ car c et m₀ peuvent être mesurés avec une grande précision expérimentalement. On peut « sentir », juste en regardant ces dépendances entre grandeurs, que la lumière est directement liée à l’électricité et au magnétisme.

On parle d’interaction électromagnétique car une particule chargée se déplaçant à une certaine vitesse interagit avec le champ électrique ET avec le champ magnétique. Le champ électromagnétique entraîne une force électromagnétique F appelée force de Lorentz qui est la somme de la force électrique et de la force magnétique : F=qE + qv x B.

Si on a un champ magnétique et un champ électrique perpendiculaires l’un à l’autre et que ces 2 champs oscillent, on obtient une onde, appelée onde électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière, tout cela se déduit des équations de Maxwell et cette onde, c’est tout simplement LA lumière !!

Cette onde est caractérisée (entre autre) par sa longueur d’onde (appelée lambda) qui est la distance entre 2 crêtes. Cette longueur, peut varier de plusieurs mètres jusqu’à quelque cent millième de milliardième de mètre, l’ensemble de ces longueurs s’appelle un spectre et celui des ondes électromagnétiques est décomposé en 7 grandes tranches selon la taille de la longueur d’onde :

-   Plus de 10cm, ce sont nos ondes radio. Ce sont elles que votre antenne de voiture capte pour écouter de la musique.

-   Entre 1mm et 10cm, ce sont les micro-ondes qui permettent de chauffer votre café le matin dans votre four micro-onde (si vous en avez un, pas comme moi).

-   De 1 à 500 millionième de mètre, ce sont les infra-rouges. Votre corps en dégage par rayonnement, c’est comme ça dans les films que le héros peut ‘voir’ des personnes à travers les murs.

-   De 400 à 700 milliardième de mètre, c’est la lumière !! Oui notre fameuse lumière qu’on cherchait est en fait une onde électromagnétique ayant une certaine longueur d’onde. Nos yeux sont en fait capable de détecter uniquement ces ondes électromagnétiques. Chaque longueur d'onde est 'capturée' par notre oeil et 'interprétée' par notre cerveau par une couleur. Cette plage de longueur d’onde va du rouge au violet.

-   De 10 à 400 milliardième de mètre, ce sont les ultra-violets. Ceux que nous envoie le Soleil peuvent provoquer des coups de soleil.

-   Entre 10 et un centième de milliardième de mètre, ce sont les fameux rayons X. Ces ondes électromagnétiques sont utilisées dans les hôpitaux pour faire les radios car nos os arrêtent ces ondes mais pas le reste de notre corps.

-   Pour des longueurs encore plus petites, ce sont des ondes très énergétiques, appelées rayons gamma. Elles sont en général produites par des processus nucléaires et accompagnent la radioactivité.

Il faut bien comprendre ici que tous ces rayonnement ont le même support et proviennent du même phénomène : l’électromagnétisme. On voit ici que ces ondes font parties de notre quotidien, ne serait-ce que pour « voir », il me semble donc important que monsieur tout le monde ait une petite idée, même si elle est un peu fausse ou pas très juste, de ce qu’est une onde électromagnétique !

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