Onde électromagnétique

La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Christian Huygens dans les années 1670, puis par Augustin Fresnel. Elle s'opposait à l'époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par Isaac Newton. Huygens travaillait essentiellement sur les lois de réflexion et de réfraction, Fresnel développa notamment les notions d'interférence et de longueur d'onde. La conception de la lumière comme ondulation incita les physiciens à imaginer un milieu de propagation, l'éther.

La grande avancée théorique fut la synthèse des lois de l'électromagnétisme par James Clerk Maxwell, ses équations prédisaient l'existence d'ondes électromagnétiques, et leur vitesse, permettant l'hypothèse que la lumière soit une onde électromagnétique.

Les ondes radio, à basse fréquence et grande longueur d'onde, furent découvertes à la fin du XIX^e siècle avec les travaux notamment d'Alexandre Popov, Heinrich Hertz, Édouard Branly et de Nikola Tesla. Les rayons X, à haute fréquence et faible longueur d'onde, furent découverts par Wilhelm Röntgen en 1895.

Le problème du rayonnement du corps noir fut résolu par Max Planck, en 1901, en introduisant une constante et des discontinuités expliquées par Albert Einstein en 1905, dans ses travaux sur l'effet photoélectrique, en proposant l'existence d'un quanta énergétique. Ce quanta est le prémisse au modèle du photon, synthèse des approches ondulatoire et corpusculaire de la lumière, donnant l'idée d'une généralisation à toute la matière : la mécanique quantique.

Les ondes électromagnétiques (perturbations des champs électrique et magnétique) sont produites par des particules chargées accélérées[1].

Dans le domaine des radio-fréquences et des micro-ondes, l'émission d'une onde électromagnétique s’effectue en faisant circuler un courant électrique variable dans un conducteur. La réception se fait en détectant le courant électrique induit par le champ électromagnétique de l'onde dans un conducteur.

Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant (le trièdre ${\displaystyle \scriptstyle \left({\vec {v}},{\vec {E}},{\vec {B}}\right)}$ doit être direct).

Une onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique E et d'un champ magnétique B associés, perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation.

Comme toutes les ondes, une onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l'analyse spectrale ; on peut décomposer l'onde en ondes dites « monochromatiques » (voir aussi Spectre d'ondes planes).

Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).

Les variations des champs électriques et magnétiques sont liées par les équations de Maxwell, on peut donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique.

Il est alors possible d'écrire l'équation générale d'une onde plane monochromatique :

${\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}},t)=\cos(\omega t-{\vec {k}}\cdot {\vec {r}}+\varphi )\;{\vec {E}}_{0}}$

où

• ${\displaystyle E_{0}=\|{\vec {E}}_{0}\|}$est l'amplitude de l'onde ;
• ${\displaystyle \omega }$ est la pulsation et vaut ${\displaystyle {\frac {2\pi c}{\lambda }}}$;
• ${\displaystyle {\vec {r}}}$ est le vecteur position du point considéré ;
• ${\displaystyle {\vec {k}}}$ est le vecteur d'onde dont la norme vaut ${\displaystyle \|{\vec {k}}\|={\frac {2\pi }{\lambda }}}$ [2], ${\displaystyle \lambda }$ étant la longueur d'onde ;
• ${\displaystyle \varphi }$ est la phase à l'origine.

On utilise aussi fréquemment la notation complexe :

${\displaystyle {\vec {\underline {E}}}({\vec {r}},t)=\mathrm {e} ^{\,\mathrm {i} (\omega t-{\vec {k}}\cdot {\vec {r}})}\;{\underline {\vec {E}}}_{0}\;}$.

Dans ce cas on obtiendra alors les grandeurs physiques réelles, en prenant la partie réelle de cette forme complexe. On remarquera que dans cette expression, ${\displaystyle {\underline {\vec {E}}}_{0}={\vec {E}}_{0}\,\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \varphi }}$. L'utilisation de la notation complexe, pur artifice de calcul, a pour objectif de simplifier grandement les opérations dans la majorité des cas.

• Spectre électromagnétique
• Sensibilité électromagnétique
• Propagation des ondes radio
• Risques sanitaires des télécommunications