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Qu'est-ce qu'une onde ?

Une onde est une énergie qui se propage

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 25 juillet 2014

Dire qu'une onde est la propagation d'une perturbation du milieu ne suffit pas pour comprendre ce qu'est une onde.
Dire que la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence sont les 3 propriétés caractérisant une onde et que la relation entre les trois grandeurs est v = λ * ν cela ne suffit pas non plus pour comprendre ce qu'est une onde.
Dire qu'une onde se déplace avec une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation, cela ne nous montre pas l'onde.
Dire qu'une onde transporte de l'énergie sans transporter de matière, cela ne nous dit toujours rien de la nature d'une onde.
Imaginons maintenant une corde que l'on secoue d'un geste vertical. Ce simple mouvement va dessiner une onde d'une certaine hauteur, qui semble se propager vers l'avant mais en réalité aucun point de la corde ne se déplace, chaque point va et vient en bougeant verticalement. Cette amplitude nous donne une idée de la force avec laquelle on secoue la corde mais pas de l'onde elle-même.
Pour comprendre ce qu'est une onde il faut enlever la corde et imaginer les molécules d'air subir la pression mécanique de la corde. A ce moment là il ne reste dans le milieu (l'air) que de l'énergie, une force engendrée par le mouvement de la corde. Cette énergie fait osciller la pression de l'air autour d'une valeur d'équilibre, la pression croît et décroit alternativement autour de cette valeur. L'onde (l'énergie) déplace les molécules d'air sans les transporter. Tant que l'on secoue la corde, on peut mesurer la distance entre 2 bosses ou 2 creux, cette distance est la longueur d'onde mesurée en mètre. Le rythme avec lequel on secoue la corde correspond à la fréquence de l'onde mesurée en Hertz. La vitesse de l'onde mesurée en mètre/seconde est égale à la longueur d'onde multipliée par la fréquence.

 

Une onde se propage dans un milieu stable, capable de revenir dans un état d'équilibre, pour une onde sonore c'est la pression de l'air qui se déplace par rapport à une valeur moyenne, pour une onde électromagnétique c'est l'intensité du champ électromagnétique qui se déplace par rapport à une valeur moyenne du champ.
L'électricité peut être statique, comme l'ambre qui après avoir été frotté, attire des objets de petite taille. Le magnétisme peut aussi être statique comme dans un aimant. Mais lorsque ces champs se déplacent ensemble, ils deviennent des ondes électromagnétiques (voir image). Les ondes électromagnétiques sont formées quand un champ électrique (représenté par des flèches rouges) se couple avec un champ magnétique (représenté par des flèches bleues). Les champs magnétiques et électriques d'une onde électromagnétique sont toujours perpendiculaires l'un par rapport à l'autre mais aussi perpendiculaire à la direction de l'onde.
Ces deux types d'ondes, mécaniques et électromagnétiques, sont deux façons de transporter l'énergie dans un milieu. Les vagues dans l'eau et les ondes sonores dans l'air sont deux exemples d'ondes mécaniques. Ce transport d'énergie perturbe ou fait vibrer la matière (solide, liquide, gaz ou plasma) sans la transporter, les molécules d'eau ou d'air s'entrechoquent mais restent au même endroit.
Un champ magnétique variable induit un champ électrique variable et vice-versa, les deux sont liés. Ces deux champs lorsqu'ils se couplent (équations de Maxwell), forment les ondes électromagnétiques (voir image). Les ondes électromagnétiques contrairement aux ondes mécaniques, n'ont pas besoin du milieu pour se propager, elles voyagent partout, même dans le vide spatial. La lumière, les ondes électromagnétiques et tous les rayonnements sont issus du même phénomène physique : l'énergie électromagnétique.

 Ondes mécaniques et électromagnétiques

Image : Les ondes électromagnétiques sont formées par les vibrations sinusoïdales des champs électriques et magnétiques. Ces champs sont toujours perpendiculaires l'un par rapport à l'autre mais aussi perpendiculaire à la direction de déplacement de l'onde. Une fois formée, cette énergie se déplace à la vitesse de la lumière jusqu'à la prochaine interaction avec la matière. Une onde électromagnétique est une onde transversale.

nota : L'onde est dite transversale si l'énergie se déplace perpendiculairement au sens de déplacement de l'onde (mouvement du bras qui secoue la corde ou l'énergie d'un caillou tombant dans l'eau). L'onde est dite longitudinale si l'énergie se déplace dans le sens de déplacement de l'onde (l'aimant du haut parleur). Une onde peut être à la fois longitudinale et transversale (une baguette qui frappe sur un tambour).

Fréquence, longueur d'onde et énergie

    
La fréquence, la longueur d'onde et l'énergie sont liées mathématiquement, il suffit de connaitre une de ces trois valeurs pour calculer les deux autres.
Les ondes radio et les micro-ondes sont généralement décrites en termes de fréquence (Hertz), la lumière infrarouge et visible en termes de longueur d'onde (λ), et les rayons X et rayons gamma en termes d'énergie (électronvolts).
La fréquence de l'onde est le nombre de phénomènes périodiques (crêtes) qui se reproduisent en une seconde, elle est donnée en Hertz, d'après Heinrich Hertz (1857-1894) qui a établi l'existence des ondes radio. Des ondes radio aux rayons gamma, la fréquence se mesure de quelques Hertz à 1026 Hertz.
La longueur d'onde est la distance entre deux crêtes (les ondes électromagnétiques ont des crêtes et des creux semblables à ceux des vagues de l'océan). Les ondes les plus longues (ondes radio) peuvent mesurer quelques kilomètres et plus, alors que les ondes les plus courtes (ondes gamma) produites par le noyau atomique, peuvent mesurer jusqu'à 10-12 m (taille du noyau atomique).
 L'énergie  d'une onde électromagnétique est mesurée en électronvolt (eV). Un électronvolt est la quantité d'énergie cinétique nécessaire pour déplacer un électron à travers un potentiel de tension de 1 volt. Les énergies les plus basses sont les énergies des ondes radio (quelques eV) tandis que les énergies les plus hautes sont celles des rayons gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements de photons de très haute énergie (au-delà de 100 keV) suffisante pour arracher un électron de son orbite. Les rayons gamma sont la forme la plus énergétique de la lumière.

nota : Entre la longueur d'onde (λ) et la fréquence (ν) existe la relation suivante : ν = c / λ
ν = fréquence d'onde en hertz
c = vitesse de la lumière dans le vide en m/s,
λ = longueur d'onde en mètre,
 Spectre électromagnétique, rayons gamma
Un phénomène en physique est une observation qui montre comment un système physique ou un corps physique interagit avec l'environnement (comment il se transforme, comment il se met en mouvement, comment il change d'état, comment il modifie sa température, etc.).
En générale, il n'y a pas de modification de la nature du corps physique cela concerne plutôt la thermodynamique du corps. C'est à dire la façon dont le corps physique va échanger de l'énergie avec l'environnement, comment il va réagir sans altération.
Quelques exemples de phénomènes en physique :
- Une pile va interagir en transformant de l'énergie chimique (réaction chimique entre deux substances) en énergie électrique (la nature de la pile ne change pas, la pile reste une pile).
- Un moteur électrique va interagir en transformant l'énergie électrique (déplacement d'électrons) en mouvement (le moteur reste un moteur).
- Un cyclone va interagir en transformant de l'énergie calorifique (la chaleur de l'océan) en mouvement (vortex des masses d'air).
- Une éolienne va interagir en transformant un mouvement (déplacement des molécules d'air) en énergie électrique (rotation d'une bobine magnétique qui elle-même transforme son énergie en énergie électrique).
- L'eau qui boue dans une casserole va interagir en dissipant au mieux l'énergie calorifique, au début elle diffuse progressivement l'énergie par conduction (les molécules d'eau s'échauffent de proche en proche), ensuite elle va diffuser son énergie par convection (les molécules d'eau s'agitent de plus en plus), et enfin l'eau s'évapore mais l'eau reste de l'eau, elle change simplement d'état.
           
           
 
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