On a vu dans le billet précédent que James Clerk Maxwell a unifié magnétisme et électricité en une théorie brillante, dont les équations permettent de calculer la vitesse de propagation des perturbations des champs magnétique et électrique. Maxwell calcule cette vitesse, la trouve proche de celle de la lumière, et émet l’hypothèse d’un lien. On sait maintenant que ces perturbations sont des ondes électromagnétiques (OEM), qui ont pour vitesse celle de la lumière, elle-même onde électromagnétique. Mais à l’époque il fallait encore les mettre en évidence, pour affermir définitivement la théorie de Maxwell.

Quelques années après le décès de Maxwell, ce fut Heinrich Hertz qui démontra effectivement l’existence d’OEM : une série d’étincelles dans un circuit électrique émetteur entraînait l’émission d’ondes, captées par un deuxième circuit récepteur qui recréait des étincelles. Hertz montra également que les OEM produites ont les mêmes propriétés et la même vitesse que la lumière : réflexion et réfraction, interférences etc.

Caractéristiques des OEM

Une onde est la propagation d’une perturbation, par exemple les rides à la surface de l’eau quand on y jette un caillou. Une onde propage également de l’énergie, qui se dilue dans l’espace, comme le font les rides à la surface de l’eau quand on s’éloigne de l’impact du caillou.

Pour les OEM, il s’agit des perturbations conjuguées du champ électrique \overrightarrow{E} et du champ magnétique \overrightarrow{B}, qui évoluent de façon sinusoïdales, à la même fréquence, et qui sont perpendiculaires entre elles. Cette onde a une amplitude d’autant plus importante que son énergie est élevée, et une longueur d’onde λ caractéristique de ce qui l’a créée. Elle se propage dans le vide à la vitesse c, vitesse de la lumière.

Spectre électromagnétique

Comme on l’a vu dans le billet précédent, un électron qui est mis en mouvement engendre une perturbation des champs électrique et magnétique, donc une onde électromagnétique, un rayonnement électromagnétique. Or tout ce qui nous entoure comporte de tels phénomènes, qu’ils soient créés volontairement par l’homme ou existant naturellement. On peut créer de la lumière, des rayonnements d’origine radioactive, des rayons X, des micro-ondes, des ondes radio, et bien sûr des rayons lumineux visibles. Chaque type de rayonnement est caractérisé par sa longueur d’onde (ou sa fréquence), qu’on représente par le spectre électromagnétique.

Sur ce spectre, les ondes sont classées par longueur d’onde. Les plus petites, rayons γ (radioactivité) sont de l’ordre du milliardième de mm. Puis les rayons X (chez le radiologue), les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infra rouges, et enfin les ondes radio dont la longueur d’onde est beaucoup plus grande, de l’ordre du km.

La lumière visible n’est au fond qu’une toute petite partie du vaste ensemble des ondes électromagnétiques, un cas particulier lié à la capacité de l’œil humain de la percevoir.

Sur terre, nous sommes en permanence baignés par ces ondes. Bien sûr par celles qu’on crée, celles émises par la WiFi, par les plaques à induction, par la radio, la radioactivité… Mais aussi par celles émises par le soleil qui, comme toute étoile, génère quantité d’OEM.

Et plus généralement, tout corps qu’il soit solide, liquide ou gazeux, de par sa propre température génère un rayonnement thermique lié aux mouvements des électrons de ses atomes. Notre corps par exemple émet un rayonnement infra-rouge caractéristique.

Électromagnétisme, relativité et mécanique quantique

Les travaux de Maxwell et d’Ampère avaient notamment pour hypothèse l’existence de particules chargées électriquement. C’est Thomson qui en 1897 découvrira l’électron. Et puis les découvertes fondamentales vont s’enchaîner au début du 20^e siècle : l’atome et sa constitution, la relativité, la mécanique quantique, jusqu’au modèle standard qui nous permet de comprendre la structure fondamentale de la matière. Au cœur de ce modèle, gouverné par 4 forces fondamentales, se trouve la force électromagnétique.

Les découvertes s’enchaînent, mais surtout permettent de résoudre des difficultés insolubles. C’est ce qu’on va voir dans le billet suivant.

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