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L’onde électromagnétique : définition, spectre et formule

L’essentiel

Une onde électromagnétique est la propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui oscillent ensemble. Elle n’a pas besoin de support matériel : dans le vide, elle se déplace à c = 3,00 × 10⁸ m/s. Ondes radio, infrarouges, lumière et rayons X en sont des exemples, qui diffèrent par leur longueur d’onde.

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

Une onde électromagnétique naît quand des charges électriques oscillent, par exemple dans une antenne. Un champ électrique variable crée un champ magnétique variable, qui recrée un champ électrique, et ainsi de suite : la perturbation se propage de proche en proche, sans transport de matière.

Les deux champs oscillent perpendiculairement l’un à l’autre et à la direction de propagation : c’est une onde transversale. James Clerk Maxwell prévoit ces ondes dans les années 1860 et Heinrich Hertz les produit en laboratoire à la fin des années 1880.

Comme aucun milieu n’est nécessaire, la lumière du Soleil nous parvient à travers le vide de l’espace, en environ 8 minutes.

Le spectre électromagnétique

Toutes ces ondes sont de même nature. On les classe par longueur d’onde dans le vide : c’est le spectre électromagnétique. Les limites entre domaines sont conventionnelles et varient un peu selon les sources.

Les domaines du spectre, des grandes aux petites longueurs d’onde (ordres de grandeur)
DomaineLongueur d’onde dans le videExemples d’usage
Ondes radioPlus de 1 mRadio AM et FM
Micro-ondesDe 1 mm à 1 mWi-Fi, téléphone, four, radar
InfrarougeDe 800 nm à 1 mmTélécommande, caméra thermique
Lumière visibleDe 400 nm à 800 nmVision, éclairage
UltravioletDe 10 nm à 400 nmBronzage, stérilisation
Rayons XDe 10 pm à 10 nmRadiographie
Rayons gammaMoins de 10 pmRadiothérapie

Astuce : Pour retenir les couleurs : le violet est vers 400 nm, le rouge vers 800 nm. L’ultraviolet est au-delà du violet, l’infrarouge en deçà du rouge.

La formule : longueur d’onde, fréquence et célérité

Une onde électromagnétique est périodique. Sa longueur d’onde λ est la distance parcourue pendant une période T. Dans le vide, et presque aussi bien dans l’air, sa célérité vaut c.

λ = c ÷ f = c × T, avec λ en mètres, f en hertz, T en secondes et c = 3,00 × 10⁸ m/s.

  • Radio FM à 100 MHz : λ = 3,00 × 10⁸ ÷ (100 × 10⁶) = 3,00 m.
  • Four à micro-ondes à 2,45 GHz : λ = 3,00 × 10⁸ ÷ (2,45 × 10⁹) ≈ 0,122 m, soit 12,2 cm.
  • Lumière rouge à 650 nm : f = 3,00 × 10⁸ ÷ (650 × 10⁻⁹) ≈ 4,6 × 10¹⁴ Hz.

Astuce : Dans un milieu transparent, comme le verre, l’onde ralentit et λ diminue, mais sa fréquence ne change pas.

L’énergie d’une onde électromagnétique : le photon

Une onde électromagnétique transporte de l’énergie par paquets, les photons. Plus la fréquence est élevée, plus chaque photon est énergétique. C’est ce qui sépare les rayonnements selon leurs effets.

Les rayons X, les rayons gamma et les ultraviolets les plus énergétiques peuvent arracher des électrons aux atomes : ils sont ionisants. Les ondes radio et les micro-ondes ne le sont pas.

E = h × f = h × c ÷ λ, avec E en joules et h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s.

  • Lumière verte, λ = 500 nm : E = 6,63 × 10⁻³⁴ × 3,00 × 10⁸ ÷ (5,00 × 10⁻⁷) ≈ 4,0 × 10⁻¹⁹ J, soit environ 2,5 eV.
  • Rayons X, λ = 0,10 nm : E ≈ 2,0 × 10⁻¹⁵ J, soit environ 5 000 fois plus.

Onde électromagnétique ou onde mécanique ?

Les deux grandes familles d’ondes
Onde électromagnétiqueOnde mécanique
Ce qui oscilleChamp électrique et champ magnétiqueMatière du milieu
Dans le videSe propageNe se propage pas
Célérité typique3,00 × 10⁸ m/s dans le videEnviron 340 m/s pour le son dans l’air
ExemplesLumière, radio, rayons XSon, houle, ondes sismiques

Les erreurs à éviter

  • Les ondes électromagnétiques ont besoin d’air pour se propager. Elles se propagent aussi dans le vide.

    Ce sont des champs qui oscillent, pas de la matière. C’est le son qui a besoin d’un milieu.

  • λ = 3,00 × 10⁸ ÷ 100 pour une fréquence de 100 MHz λ = 3,00 × 10⁸ ÷ (100 × 10⁶)

    La fréquence doit être en hertz : 1 MHz = 10⁶ Hz.

  • La radio est du son. La radio utilise une onde électromagnétique.

    L’onde radio transporte l’information. Le son n’apparaît qu’à la sortie, dans le haut-parleur du récepteur.

Exercices corrigés

  1. 1. Quelle onde peut se propager dans le vide ?

    Voir la correction

    La lumière. La lumière est une onde électromagnétique. Les trois autres sont des ondes mécaniques, qui ont besoin d’un milieu matériel.

  2. 2. Quelle est la longueur d’onde d’une émission radio à 150 MHz ?

    Voir la correction

    2,0 m. λ = 3,00 × 10⁸ ÷ (150 × 10⁶) = 2,0 m.

  3. 3. Une radiation a une longueur d’onde de 1,0 µm dans le vide. À quel domaine appartient-elle ?

    Voir la correction

    Infrarouge. 1,0 µm = 1 000 nm : c’est au-delà de 800 nm, dans l’infrarouge.

  4. 4. Une radiation a pour fréquence 5,0 × 10¹⁴ Hz. Quelle est sa longueur d’onde dans le vide ?

    Voir la correction

    600 nm. λ = 3,00 × 10⁸ ÷ (5,0 × 10¹⁴) = 6,0 × 10⁻⁷ m, soit 600 nm.

  5. 5. Quel classement va du photon le plus énergétique au moins énergétique ?

    Voir la correction

    Rayons X, visible, radio. E = h × c ÷ λ : l’énergie augmente quand λ diminue. Les rayons X ont la plus petite longueur d’onde.

  6. 6. Quelle est l’énergie d’un photon de longueur d’onde 400 nm ?

    Voir la correction

    5,0 × 10⁻¹⁹ J. E = 6,63 × 10⁻³⁴ × 3,00 × 10⁸ ÷ (4,00 × 10⁻⁷) ≈ 5,0 × 10⁻¹⁹ J.

Questions fréquentes

Quelle est la vitesse d’une onde électromagnétique ?

Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques vont à c = 299 792 458 m/s, soit environ 3,00 × 10⁸ m/s. Dans un milieu transparent, elles vont moins vite.

La lumière est-elle une onde électromagnétique ?

Oui. La lumière visible n’est qu’une petite partie du spectre électromagnétique, celle que l’œil humain perçoit, entre 400 et 800 nm environ.

Les ondes électromagnétiques sont-elles dangereuses ?

Cela dépend de leur énergie. Les rayonnements ionisants, comme les rayons X et gamma, peuvent endommager les cellules. Les ondes radio et les micro-ondes ne sont pas ionisantes : à forte puissance, leur effet connu est l’échauffement, et des valeurs limites encadrent l’exposition.

Quelle est la différence entre fréquence et longueur d’onde ?

La fréquence compte le nombre d’oscillations par seconde, en hertz. La longueur d’onde est une distance, en mètres. Elles varient en sens inverse : λ = c ÷ f.

Pour aller plus loin