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Spectre électromagnétique

Toute la lumière du spectre électromagnétique

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

La lumière visible n'est qu'une petite gamme des vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique.
L'atmosphère terrestre ne laisse passer qu'une partie de ce rayonnement. Ce filtre joue un rôle très important dans l'évolution de la vie organique sur la Terre. Les ondes courtes sont absorbées dans les couches atmosphériques et les ondes longues se réfléchissent, ce qui permet aux grandes ondes des émetteurs terrestres d'être captées à longue distance. L'existence de la fenêtre radio a permis le développement de la radioastronomie.
La nature de la lumière relève de la mécanique quantique pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule. La lumière possède une longueur d'onde, qui en détermine la couleur, par exemple le Rouge émet dans la longueur d'onde de 700 nanomètres, le Orange 650 nm, le Jaune 600 nm, le Vert 550 nm, le Bleu 500 nm et le Violet 450 nm. C'est cette fenêtre qu'a choisi l'œil humain pour se spécialiser. Mais la lumière invisible, s'étale sur un plus grand champ électromagnétique.

 

Maxwell a déterminé que la lumière est une onde électromagnétique et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible, tout le spectre est lumière. Depuis, on a pu observer que les longueurs d'ondes électromagnétiques varient entre 10-16 mètre et plusieurs milliers de kilomètres. Les différentes fenêtres du spectre électromagnétique se caractérisent par une longueur d'ondes, mais aussi par une plage de fréquences définies. La fréquence est le nombre d'oscillations électromagnétiques qui passent par un point donné en une seconde. Elle s'exprime avec l'unité de fréquence qui est le hertz. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée, jusqu'aux très hautes fréquences.
La fréquence (ν) est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde (λ).


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

Image : Le spectre électromagnétique regroupe toutes les fenêtres de lumière, il s'étend théoriquement de zéro à l'infini en fréquence ou en longueur d'onde, de façon continue.

Ondes radio

    

Une onde radioélectrique est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3000 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 m. Un photon de télévision hertzienne a une fréquence de 10 Mhz et sa longueur d'onde est immense environ 30 mètres, son énergie est très faible de l'ordre de 40 neV.
Le son est une vibration de la matière, or les ondes radios sont des ondes électromagnétiques, de la même nature que la lumière, c'est à dire des perturbations des champs électrique et magnétique. Contrairement aux ondes sonores, qui ont besoin d'un support matériel pour se propager, les ondes électromagnétiques, elles, voyagent mieux dans le vide. Le son ne va qu'à 300 m/s, tandis que les ondes électromagnétiques filent à la vitesse de la lumière soit 299 792 458 m/s.
Une antenne radio émettrice produit de la lumière tout comme un néon, mais il s'agit d'ondes de type radio, que nos yeux ou nos oreilles ne peuvent percevoir.

 

Comme toutes les ondes électromagnétiques, les ondes radio se propagent dans l'espace vide à la vitesse de la lumière et avec une atténuation proportionnelle au carré de la distance parcourue selon l'équation des télécommunications.
Dans l'atmosphère, elles subissent en outre des atténuations liées aux précipitations, et peuvent être réfléchies ou guidées par la partie de la haute atmosphère appelée ionosphère.
Les ondes électromagnétiques sont atténuées ou déviées par les obstacles, selon leur longueur d'onde, la nature du matériau, sa forme et sa dimension. Pour simplifier, un matériau conducteur aura un effet de réflexion, alors qu'un matériau diélectrique produira une déviation, et l'effet est lié au rapport entre la dimension de l'objet et la longueur d'onde.

 Spectre électromagnétique, ondes radio

Microondes

    

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes radio.
Les micro-ondes sont utilisées dans de nombreuses applications, radio, radar, télévision, internet...
Les plus connues sont les micro-ondes générées dans nos fours, elles sont parmi les ondes lumineuses qui ont le moins d'énergie, moins d'énergie que les ondes infrarouges ou visibles qui se dégagent d'un four classique. Leur extraordinaire efficacité est due à un effet à la fois subtil et violent qu'on nomme la résonnance. Ce que nous mangeons contient une très grande proportion d'eau et les molécules d'eau possèdent une fréquence propre qui correspond à celle des micro-ondes. Secouées par les micro-ondes, les molécules d'eau entrent en résonnance et cette agitation moléculaire augmente la température de l'eau contenue dans les aliments.
Les micro-ondes ont pour avantage de ne chauffer que le matériau, alors que le four reste à température ambiante. L'énergie pénétrant presque instantanément dans la cible, les temps de chauffage et les cycles industriels sont considérablement raccourcis.

 
Designation  frequencies wavelength
     
Band L 1 to 2 GHz 30 to 15 cm
Band S 2 to 4 GHz 15 to 7.5 cm
Band C 4 to 8 GHz 7.5 to 3.75 cm
Band X 8 to 12 GHz 3.75 to 2.5 cm
Band Ku 12 to 18 GHz 2.5 to 1.6 cm
Band K 18 to 26 GHz 16.6 to 11.5 mm
Band Ka 26 to 40 GHz 11.5 to 7.5 mm
Band Q 30 to 50 GHz 10 to 6 mm
Band U 40 to 60 GHz 7.5 to 5 mm
Band V 46 to 56 GHz 6.5 to 5.3 mm
Band W 56 to 100 GHz 5.3 to 3 mm

Image : La gamme des hyperfréquences est découpée en différentes bandes, en fonction des différentes applications techniques (radioastronomie, radars météorologiques, radiodiffusion par Satellite, télécommunications radio, télévision, radio et données informatiques, internet par satellite...

 Spectre électromagnétique, micro ondes

Ondes infrarouges

    

Les ondes infrarouges « en deçà du rouge » sont des ondes électromagnétiques de longueurs d'ondes intermédiaires, entre les micro-ondes et les ondes visibles inférieures à celles de la lumière rouge.
La longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre 780 nm et 1 000 000 nm, c'est à dire 1 millimètre. Les infrarouges sont utilisés pour le chauffage de matière dans les secteurs de l'automobile, de l'agroalimentaire, des textiles, des soins du corps.
Les diodes électroluminescentes utilisées dans les télécommandes de téléviseurs ou autres appareils, émettent aussi un rayonnement infrarouge.
En astronomie on utilise le rayonnement infrarouge dans des satellites d'observation (IRAS, ISO, Wire, Spitzer, ASTRO-F, Herschel) pour voir à travers les nuages sombres de poussières qui n'émettent pas de lumière visible.
Lorsqu'on regarde un bâtiment éclairé par le Soleil, on le voit grâce à la lumière réfléchie sur ses murs mais par nuit noire, on ne voit rien. Pourtant tous corps chaud émet de la lumière mais elle est non visible avec nos yeux. C'est pour cela que les audits concernant les économies d'énergie cherchent les pertes de chaleurs des bâtiments grâce à des caméras infrarouge (image ci-contre).

 

Les militaires utilisent aussi l'infrarouge à travers des lunettes qui permettent de voir les corps chauds (les ennemies) en pleine nuit.

Spectre électromagnétique, lumière infrarouge

Image : Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.

 Audit énergétique grâce à l'infrarouge

Image : les chasseurs de gaspillage énergétique, réalisent des thermographies, le matin de bonne heure et par temps froid, sur les façades des immeubles pour mettre en évidence les plus importantes pertes énergétiques.

Lumière visible

    

La lumière visible n'est qu'une petite plage de vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique.
La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, elles sont comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron. 380 nanomètres pour le violet à 780 nanomètres pour le rouge. La lumière est intimement liée à la notion de couleur. Newton a proposé pour la première fois au XVIIe siècle un cercle des couleurs chromatiques fondé sur la décomposition de la lumière blanche.
La lumière du soleil est la première source d'énergie émise par le Soleil. Elle alimente les écosystèmes terrestres, via la photosynthèse.
L'arc-en-ciel est un phénomène lumineux naturel qui nous transmet le  spectre En physique, le spectre est l'ensemble du rayonnement émis par une source, représentant les radiations en fonction de leur longueur d'onde. Par exemple, le spectre solaire est composé de l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel, le spectre d'une source sonore est l'ensemble des fluctuations sonores émises. Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquences associées.  de la lumière, par réflexion dans des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, comme des nuages par exemple.
Sur l'image ci-contre, l'arc-en-ciel nous apparait comme une composition de couleurs, dont le rouge est à l'extérieur de l'arc et le violet à l'intérieur, entre ces deux couleurs se trouvent, le rouge, l'orange, le jaune, le vert et le bleu.
L'ensemble des gouttes éclairées par le soleil apparaissent colorées, à un observateur qui se situe dans un angle « soleil-goutte-œil » d'environ 42°. Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus l'arc monte dans le ciel et inversement. Lorsque le soleil passe au dessus des 41° par rapport à l'horizon, l'arc-en-ciel n'est plus visible, ce qui explique pourquoi les arcs-en-ciel ne sont visibles que le matin ou le soir, par un observateur qui se situe au niveau de la mer. Quelques fois, lorsque l'arc-en-ciel est très lumineux, on observe un arc secondaire beaucoup plus pâle.

 Spectre électromagnétique, lumière visible

Image : le spectre de la lumière visible va de l'infrarouge à l'ultraviolet, correspondant aux longueurs d'ondes de 400 nanomètres dans le violet à 780 nanomètres dans le rouge, c'est à dire de 0.4 x 10-6 à 0.8 x 10-6 mètre.
Les Infrarouges se situent dans l'invisible entre 800 et 1400 nm et les Ultraviolets, entre 100 et 400 nm, dans l'invisible aussi.

nota : Entre la longueur d'onde (λ) et la fréquence (ν) existe la relation suivante, ν = c / λ où c est la vitesse de la lumière soit ≈300 000 000 m/s.
Exemple du calcul de la fréquence du rouge :
ν = 300 x 106 / 0.8 x 10-6 = 375 x 1012 Hz ou 375 térahertz
 couleurs de l'arcs-en-ciel

Ultraviolet

    

Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X. La gamme des rayons UV est souvent subdivisée en UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-10 nm).
Les UV-A émis par le Soleil, représentent près de 95 % du rayonnement UV qui atteint la surface de la Terre.
Les UV-B, responsables du bronzage, ont une activité biologique importante, mais ne pénètrent pas au-delà des couches superficielles de la peau. Une partie des UV-B solaires sont filtrés par l’atmosphère.
Les UV-C, sont les UV les plus nocifs, mais sont complètement filtrés par la couche d'ozone de l’atmosphère et n’atteignent donc pas la surface de la Terre. Des lampes UV-C sont utilisées en laboratoire de biologie pour stériliser des pièces ou des appareils.

 

Près de 5 % de l'énergie du Soleil est émise sous forme de rayonnement UV.
La vision des insectes, comme celle des abeilles, s'étend dans le spectre de l'ultraviolet (UV-A).
La lumière noire ou lumière de Wood (inventeur Robert William Wood), est une lumière composée de violet et d'ultraviolet (autour de 375 nm), avec un léger pic autour de 405 nm de longueur d’onde ce qui la rend un peu éclairante.

nota : La gamme des rayons UV est divisée, en UVA dont les photons ont une longueur d'onde comprise entre 400 et 315 nm, en UVB (315-280 nm) et en UVC (280-100 nm). Si une partie des UVB solaires sont filtrés par l'atmosphère, les UVC sont eux filtrés par la couche d'ozone de l'atmosphère et n'atteignent donc pas théoriquement la surface de la Terre.

 Spectre électromagnétique, ultra violet

Rayons X

    

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence comprises entre les ondes ultraviolettes et les ondes gamma.
Découvertes en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, ces ondes électromagnétiques ont la propriété de traverser notre corps sans trop de difficulté.
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale et la cristallographie. La radiographie médicale est basée sur le fait que les os sont une peu plus opaques aux rayons X que la chair. C'est aussi une gamme de rayonnement très utilisée en astrophysique.

 

Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature (constitués de photons), mais sont produits différemment.
Les rayons X sont produits par des transitions électroniques (changements d'orbite d'électrons) alors que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes.
Les rayons X pénètrent facilement la matière molle, la matière solide peu dense constituée d'éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote. Ils sont facilement absorbés par la matière dure constituée d'éléments lourds et par l'air de l'atmosphère.

 Spectre électromagnétique, rayons X

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. Ils possèdent une longueur d'onde très courte, inférieure à 5 picomètres, et peuvent être produits par la désintégration nucléaires, surtout aux seins des étoiles massives en fin de vie. Ils ont été découverts par le chimiste français, Paul Villard (1860-1934).
Alors que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d'un électron avec un atome, à haute vitesse, les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires.

 

Les rayons gamma produisent des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X ou les ultraviolets (brulures, cancers et mutations génétiques).
Les sources gamma que l'on observe dans l'univers viennent des étoiles massives (hypernova) qui finissent leur existence par un effondrement gravitationnel conduisant à la formation d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir.

 Spectre électromagnétique, rayons gamma

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