Fiche de Révision : Ondes Électromagnétiques (OEM)

Introduction et Contexte Historique

Les ondes électromagnétiques (OEM) sont des phénomènes fondamentaux en physique, essentiels en biophysique et dans de nombreuses applications médicales.

Année	Découverte majeure
1819	Oersted découvre qu'un courant électrique crée un champ magnétique.
1831	Faraday démontre qu’un champ magnétique variable crée un champ électrique.
1865	Maxwell unifie les lois et prédit l’existence des OEM.
1888	Hertz expérimente avec succès la propagation d’ondes électromagnétiques.
1895	Röntgen découvre les rayons [Formule].
1896	Marconi réalise la première transmission transatlantique d’ondes électromagnétiques.

1. Définition et Propriétés des Ondes Électromagnétiques

Une onde électromagnétique est la combinaison d’un champ électrique et d’un champ magnétique oscillants et perpendiculaires qui se propagent dans l’espace.

Caractéristiques clés :

Champs associés :
- Champ électrique (\vec{E}) (en V/m)
- Champ magnétique (\vec{B}) (en Tesla, T)
(\vec{E}) et (\vec{B}) oscillent perpendiculairement entre eux et perpendiculairement à la direction de propagation (\vec{c}) (onde transversale).
Vitesse (c) dans le vide : environ (3 \times 10^8 , m/s).
Champs (\vec{E}), (\vec{B}), et vitesse de propagation (\vec{c}) forment un trièdre direct.

Cas particulier : onde plane

Les ondes dans un plan perpendiculaire à la direction (x) sont en phase, par exemple :
[ \vec{E} = E_0 \cos\left(2\pi \nu (t - \frac{x}{c})\right) \vec{j} \quad ; \quad \vec{B} = B_0 \cos\left(2\pi \nu (t - \frac{x}{c})\right) \vec{k} ]

2. Propagation et Milieux

Les OEM se propagent dans tous les milieux, y compris le vide.
La vitesse dans un milieu d’indice de réfraction (n) est :
[ v = \frac{c}{n} ]

Indice de réfraction (n) : rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et celle dans un milieu donné.

3. Transport d'Énergie par les OEM

Grandeur	Expression mathématique	Remarques
Densité d'énergie (e)	[
e = \frac{1}{2} \varepsilon_0 E_0^2 = \frac{1}{2 \mu_0} B_0^2
]	(\varepsilon_0) : permittivité du vide <br> (\mu_0) : perméabilité du vide
Intensité moyenne (I)	[
I = \frac{1}{2} \varepsilon_0 c E_0^2 = \frac{1}{2 \mu_0} c B_0^2
]	Flux d’énergie (en W/m²) transporté par l’onde

Dans un milieu autre que le vide, remplacer :
[ \varepsilon_0 \to \varepsilon = \varepsilon_0 \times \varepsilon_r \quad ; \quad \mu_0 \to \mu = \mu_0 \times \mu_r ]
(\varepsilon_r) et (\mu_r) traduisent la réponse électrique et magnétique du milieu.

4. Spectre des Ondes Électromagnétiques

Les OEM couvrent un large spectre avec des propriétés et des usages variés – de la haute énergie aux basses fréquences.

Domaine	Fréquence / Longueur d'onde	Propriétés principales	Exemples d'utilisation
Très hautes fréquences (γ, rayons X)	(\lambda \approx 10^{-14}) à (10^{-8}) m	Très énergétiques, traversent facilement la matière	Scintigraphie, radiographies, contrôle industriel
Ultraviolet (UV)	(10^{-8}) à (4 \times 10^{-7}) m	Potentiellement nocifs, partiellement absorbés par ozone	Protection solaire, lumière noire
Lumière visible	(4 \times 10^{-7}) à (8 \times 10^{-7}) m (400–800 nm)	Spectre visible, comporte toutes les couleurs de l’arc-en-ciel	Vision humaine, outils optiques
Infrarouge (IR)	(8 \times 10^{-7}) à (10^{-3}) m	Radiation thermique émise par objets chauds	Télédétection, thermographie
Radio et micro-ondes	De cm à plusieurs km	Facile à émettre/recevoir, utilisé dans les transmissions	Radios, téléphones, radars

5. Production et Détection des Ondes Électromagnétiques

Production :

Mouvements accélérés de charges électriques (courants oscillants dans une antenne)
Rayonnement thermique d’objets chauds (visible et infrarouge)
Transitions électroniques dans les atomes et molécules (visible, UV, rayons X)
Transitions nucléaires (rayons gamma)

Détection :

Cils et photorécepteurs (visible)
Cellules photoélectriques (visible, IR)
Antennes radio (ondes radio / micro-ondes)
Films photographiques et cristaux scintillants (UV, rayons X, gamma)

6. Exemple : Antenne Dipolaire

Production : Oscillateur électrique fait vibrer les électrons de l’antenne, émettant une OEM dans toutes les directions.
Détection : Inverse de la production : l’onde incidente induit un courant dans l’antenne.

[Diagramme]

7. Résumé - Relations entre Concepts