🎯 Objectif de la leçon : Comprendre la nature des ondes électromagnétiques, explorer le spectre complet et identifier leurs utilisations pratiques.

Les ondes électromagnétiques sont véritablement extraordinaires ! 🌈 Elles nous permettent de voir le monde qui nous entoure, d’écouter la radio, d’utiliser notre téléphone portable, et même de réchauffer nos aliments au micro-ondes. Mais quelle est leur nature profonde ?

Dualité onde-particule

Les ondes électromagnétiques présentent une double nature : elles se comportent à la fois comme des ondes (interférences, diffraction) et comme des particules (effet photoélectrique). Cette dualité est fondamentale en physique moderne.

Structure d’une onde électromagnétique

Une onde électromagnétique est constituée de deux champs oscillants :

• Un champ électrique (E) oscillant
• Un champ magnétique (B) oscillant

Ces deux champs sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. Ils sont en phase et leurs amplitudes sont liées.

Vitesse de la lumière

Toutes les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à la même vitesse incroyable :

\[
c = 299\,792\,458 \text{ m/s} \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}
\]

Cette vitesse est une constante fondamentale de l’univers !

Relation fondamentale

Pour toutes les ondes électromagnétiques, la relation entre longueur d’onde, fréquence et vitesse est :

\[
c = \lambda \times f
\]

Exemple de calcul : Une onde radio a une longueur d’onde de 3 m. Sa fréquence est :

\[
f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{3} = 100 \times 10^6 \text{ Hz} = 100 \text{ MHz}
\]

Le spectre électromagnétique complet

Le spectre électromagnétique couvre une gamme immense de fréquences et de longueurs d’onde. Voici les principales catégories, des plus basses aux plus hautes fréquences :

• Ondes radio : λ = 1 mm à 100 km, f = 3 kHz à 300 GHz
• Micro-ondes : λ = 1 mm à 30 cm, f = 1 GHz à 300 GHz
• Infrarouge : λ = 700 nm à 1 mm, f = 300 GHz à 430 THz
• Lumière visible : λ = 400 nm à 700 nm, f = 430 THz à 750 THz
• Ultraviolet : λ = 10 nm à 400 nm, f = 750 THz à 30 PHz
• Rayons X : λ = 0,01 nm à 10 nm, f = 30 PHz à 30 EHz
• Rayons gamma : λ < 0,01 nm, f > 30 EHz

Énergie des photons

Selon la théorie quantique, l’énergie transportée par une onde électromagnétique est quantifiée en paquets appelés photons. L’énergie d’un photon est donnée par :

\[
E = h \times f
\]

où h est la constante de Planck :

\[
h = 6,626 \times 10^{-34} \text{ J·s}
\]

On peut aussi exprimer cette énergie en fonction de la longueur d’onde :

\[
E = \frac{h \times c}{\lambda}
\]

Exemple de calcul : Un photon de lumière bleue (λ = 450 nm) a une énergie de :

\[
E = \frac{6,626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{450 \times 10^{-9}} \approx 4,42 \times 10^{-19} \text{ J}
\]

Applications par domaine spectral

Ondes radio : Radio FM/AM, télévision, communications mobiles

Micro-ondes : Four micro-ondes, radars, Wi-Fi

Infrarouge : Télécommandes, vision nocturne, thermographie

Lumière visible : Vision, photographie, fibre optique

Ultraviolet : Bronzage, stérilisation, détection de faux billets

Rayons X : Radiographie médicale, contrôle des bagages

Rayons gamma : Traitement du cancer, stérilisation des aliments

Récapitulatif mnémotechnique 🌈

Pour retenir l’ordre des couleurs : « Violet Bleu Cyan Vert Jaune Orange Rouge »

Et pour l’énergie des photons : « Plus la fréquence est haute, plus le photon est énergétique »