1.         Polarisation

1.1         Mise en évidence en ondes radio.

Pour une onde radio (ou UHF transmettant la télévision), observer la polarisation de l’onde est im­médiat : il suffit d’orienter l’antenne (fil conducteur, ou bâton conducteur), pour voir la réception s’améliorer jusqu’à son maximum, ou s’éteindre presque complètement. En chaque point, une seule orientation d’antenne est optimale. Cette expérimentation réclame un champ propre et simple. Dans une cour d’immeuble encaissée, on ne reçoit que des réflexions multiples, et aucune orientation n’est ni vraiment bonne, ni vraiment nulle.

On peut expérimenter avec deux “ talkies-walkies ” à bon marché. Si leurs antennes sont parallèles entre elles, et perpendiculaires à la direction de propagation, on a une bonne réception. Antennes croisées, ou parallèles à la propagation : réception presque nulle.

Dessinez ci-dessous la première expérience : l'émetteur tient son antenne verticale. Comment le ré­cepteur doit-il s'orienter ?

Seconde expérience : l'émetteur tient son antenne horizontalement. Dans quelles conditions pourra-t-on le recevoir normalement ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.1     La direction de droite de l’antenne émettrice, est celle du champ électrique.

1.2         Ce qu’est un champ électrique

Les champs électriques, nous nous en servons tous les jours dans nos oscilloscopes. Nous nous en servons aussi dans les électrolyses, dans les tubes fluorescents qui éclairent nos salles. Etc.  Nous en avons manipulés lorsqu’on a fait une électrolyse : la cathode a attiré des cations Na+, et l’anode a attiré des anions Cl-. Dans nos oscilloscopes : une anode percée accélère des électrons e-, et les laisse continuer leur course vers l’écran fluorescent. Les plaques de déviation créent un champ électrique qui dévie ces électrons, et leur donnent une déviation proportionnelle à la différence de potentiel en­tre ces plaques, respectivement horizontales et verticales.

La force exercée sur une charge électrique q, est le produit de cette charge, par le champ électrique : 

F = q E.                                              Et cette loi est vectorielle :             

L’unité de champ électrique est le volt par mètre. D’après la loi ci-dessus, on pourrait aussi dire le :  .   .   .

Cette loi se dessine plus facilement si le corps d'épreuve du champ électrique est une charge posi­tive :

           

 

 

+ e représente la charge d’un proton.

Finissez de légender ce dessin : les potentiels les plus positifs, sont-ils à gauche, ou à droite de la fi­gure ?

On dessine donc le champ électrique comme un champ de flèches, qui couleraient des charges +, vers les charges -. Est-ce le même sens que le sens du courant conventionnel ?

Si ce corps d'épreuve est un électron, de charge négative, voici :Newton par coulomb.

           

 

 - e représente la charge d’un électron.

Autrement dit, l'électron négatif, fuit les autres électrons.

Un mot nouveau : corps d'épreuve. C'est le genre d'objet qu'il faut placer dans un champ, pour que la force qui en résultera, trahisse quel est ce champ, ses caractéristiques, sa grandeur, son orienta­tion. Pour le champ de gravitation, n'importe quel objet est un corps d'épreuve : une pomme, un bal­lon ; ils tombent...

Remarque : tous les corps tombent dans le même sens : vers le centre de la Terre, pour notre voisi­nage. Alors qu'il y a deux sortes de corps d'épreuve en électromagnétisme ; les charges - et les char­ges +.

1.3         Champ magnétique

Le champ magnétique a de nombreuses particularités qui nous sont nouvelles. Il n’a aucune des propriétés d’un vecteur. Nous appellerons cela un gyreur. Un champ magnétique, n’est rien d’autre qu’un champ électrique, mais vu à travers un mirage (un mirage de l’espace-temps) : il tra­duit qu’une charge électrique a une vitesse de déplacement, et il le traduit à la façon d’un chemin à rouleaux, ou d’un roulement à rouleaux.

Un champ magnétique, est un être qui tourne et fait tourner une vitesse. Cet être-là est dans un plan : le plan de la rotation.

Ce champ magnétique B, traduit le fait : je vois tourner un courant de­vant moi. Le produit i.l, intensité du courant, par la longueur d’un élément de circuit, est un vecteur.

La force qui dévie un courant, ou un électron lancé, sous l’effet du champ magnétique, est aussi un vecteur. Et le champ magnétique est le quotient de deux vecteurs perpendiculaires. Il ne peut donc en au­cun cas être lui-même un vecteur. On l’a parfois appelé un “ bivecteur ”, mais trop de gens confon­dent avec “ vecteur ”. Nous l'appellerons ici un “ gyreur ”.

Son effet est de faire tourner  - dévier de sa trajectoire - une charge électrique déjà en mouvement, ou autrement dit, d’exercer une force de déviation latérale sur un courant.

 

Un rond dans un rond, et qui tour­nent pareil !

 

Effet d’un champ magnétique sur un électron lancé : il incurve sa trajectoire selon un arc de cer­cle. Prenons le cas d’un électron lancé, dans un champ uniforme. On étudiera seulement le cas sim­ple, où la vitesse initiale est déjà dans le plan qui contient le champ magnétique.

Et on observe encore un rond dans un rond, et qui tournent pareil !

Bien sûr, il y a un truc ! J’ai pris comme corps d’épreuve du champ magnétique, des élec­trons, dont la charge est néga­tive. Si j’avais pris un courant électrique comme corps d’épreuve, son “ rond ” aurait tourné en sens contraire.

Nous verrons les lois quantita­tives exactes dans le cours con­sacré à l’électromagnétisme.

L’unité de champ magnétique est le tesla (de l’ingénieur croate Nikola Tesla, inventeur du moteur synchrone), symbole T. Il est égal à 1 Newton par coulomb, et par m/s.

1.4         Résumons par un tableau les trois champs que nous connaissons désormais, et leur corps d'épreuve :

Type de champ

corps d’épreuve du champ ?

quoi produit le champ ?

géométrie

Potentiel associé

 

champ de gravité

tout corps matériel.

Tous les corps matériels.

Vecteur: g

Scalaire: g.h

 

champ électrique

toute charge électrique

des charges électriques.

Vecteur.      Unité : V. m-1.

Scalaire : Volt, ou J.Cb-1

 

champ magnétique

toute charge électrique en mouvement

des charges électriques en mouvement, des courants, des aimants.

gyreur :        Unité : tesla, ou V. s . m-2.

Vecteur :           V. s . m-1  (Volt/vitesse).

 

Onde électromagnéti­que

Toute charge électrique, atomes.

Tout changement de posi­tion ou de vitesse d’une charge électrique.

gyreur en di­mension 4 : temps + espace.

Vecteur en di­mension 4 : temps + espace.

 

Champ nucléaire (fort) : champ à très courte distance : juste un noyau atomique.

protons, neutrons

protons, neutrons

 

 

 

1.5                     Le plan de propagation d’une onde E-M polarisée plane.

Onde plane

Un troisième champ, vectoriel, a été dessiné, .  Il est en avance sur  d'un quart de longueur d'onde.  est au maximum quand  est nul.  ressemble beaucoup à un courant électrique : , qui précède, est la cause de , qui suit un quart de période plus tard. On l'appelle : potentiel magnétique. En termes simplifiés, le potentiel V traduit qu'il y a des charges électriques "pas loin". En simplifiant, le potentiel  traduit qu'il y a un courant électrique "pas loin", et  a l'orientation et le sens du cou­rant le plus proche et le plus fort.

On constate qu'un électron, soumis au champ magnétique B, et au champ électrique , est poussé dans le sens de propagation de l'onde.

Sur la figure page suivante, exerçons-nous à le prouver dans quatre cas :

1.5.1     Charge négative, maximum de champ électrique vers le bas de la figure.

1.5.2     Charge négative, maximum de champ électrique vers le haut de la figure.

Pour cela dessinons au crayon la trajectoire sous l'influence du champ électrique, puis dévions la, comme elle est déviée par le champ magnétique.

Onde plane

 

1.5.3     Charge positive, maximum de champ électrique vers le bas de la figure.

1.5.4     Charge positive, maximum de champ électrique vers le haut de la figure.

Onde plane

Constats :

Transversalement, les charges - sont .    .    .

Transversalement, les charges + sont .    .    .

Longitudinalement, toutes les charges électriques sont .    .    .

Pourquoi appelle-t-on une telle onde "onde polarisée plane" ? Pour répondre, cherchez si un même plan contient 2 vecteurs et un gyreur caractéristiques de l'onde : le vecteur de propagation, le vec­teur champ électrique, et le gyreur champ magnétique.

 

Et dans quel plan placerez-vous une antenne yagui, en réception d'onde UHF de télévision ?

 

1.5.5     Pour de la lumière, la polarisation est plus difficile à obtenir, et à mettre en évidence.

En général, chaque atome qui émet de la lumière, le fait au hasard, et dans un plan de polarisation au hasard par rap­port aux autres atomes émetteurs. Calculons combien de temps peut durer l'émission (polarisée) d'un seul atome : en­viron 10 000 périodes, à la fréquence de 500 THz :

Une telle durée est-elle facile à observer ?                    

Il faut donc utiliser des moyens spéciaux pour observer la polarisation de la lumière. Au 19e siècle, on n'avait que deux moyens :

·       Certains cristaux, comme la calcite CaCO3 , séparent et transmettent différemment deux polarisations, selon l'orientation du cristal par rapport au rayon lumineux.

·      La réflexion et la réfraction à travers un dioptre, produisent une polarisation non complète. Mais plusieurs réfrac­tions ou plusieurs réflexions en série, peuvent faire une polarisation très complète.

De nos jours, on utilise de préférence des Polaroïds. Ces feuilles sont des préparations de hauts polymères transparents, dans lesquels sont noyées des molécules organiques conductrices (iodure d'alcool de polyvinyle), et alignées dans une même direction. Elles arrêtent donc le champ électrique dans le sens de leur alignement, et absorbent ainsi une des polarisations, et laissent passer la polarisation perpendiculaire.

2.         Energie d'un rayonnement électromagnétique.

2.1     Ce que fait un rayonnement ultraviolet, un infrarouge en est incapable.

L'ultraviolet fait bronzer la peau, il déclenche des réactions chimiques, il provoque des fluorescences, il provoque des mutations dans les cellules vivantes, il rend conducteur un photoconducteur, etc.

C'est Einstein, en 1905, qui a exprimé la loi : un rayonnement électromagnétique n'interagit avec la matière que par quanta, déterminés par la constante de Planck h. h vaut environ 6,626176 . 10-34 joule-seconde par cycle, ou  1,05457267 . 10-34 joule-seconde par radian.

On a nommé ces quanta "photons". Voici la loi originale d'Einstein :

W = h . f.        où f est la fréquence du rayonnement, et W l'énergie que chaque quantum transporte.



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


En spectroscopie infrarouge (détection du monoxyde de carbone par sa raie d'absorption à 4,666 µm), nous avons rencontré cette loi sous une forme un peu modifiée par Bohr :

E1 - E2 = h .f,            E1  est l'énergie de la molécule avant absorption d'un quantum de rayon­nement, et  E2 est l'énergie de la molécule après absorption.

Nous ferions mieux de réécrire cette loi, en écrivant qu'une expression est égale à une constante uni­verselle :

W T = h,         ou W / oméga = h / 2.Pi  = .                       Avec oméga désignant la pulsation, T désignant la période.

 

2.2         Granule ?

Sur un PC, recherchez quel est le granule d'une disquette : la plus petite unité d'allocation que le système d'exploitation réserve sur un disque, pour un fichier. Ayez une disquette formattée dans le lecteur A :, puis tapez sous DOS :

DIR A:                                    (notez la place disponible : L0)

COPY CON A:ESSAI

AB                                          (ou un autre message bref : celui totalisera 3 signes : AB^Z)

^Z

DIR A:                                    (notez la nouvelle place disponible : L1)

Le granule est la différence  L0 - L1. Sur les disquettes double densité, il valait 1 k octets. Sur les disques durs, il n'est jamais inférieur à 2 k. Quelle valeur avez-vous trouvé sur une disquette haute densité ?

Maintenant vous avez une comparaison familière pour cette constante h. C'est le granule d'action (c'est depuis 1834 le nom consacré à cette grandeur, inventée par W. R. Hamilton) de la nature. Ce granule d'action h , ou quantum d’action, régit toute la nature.

2.3         Le granule d'action dans les molécules.

Les molécules peuvent tourner sur elles-mêmes, et vibrer, mais exclusivement à des niveaux multi­ples demi-entiers du quantum d’action h. La molécule de monoxyde de carbone CO vibre en perma­nence sur le mode élongation-compression. Mais elle ne peut pas descendre en dessous d’un niveau d’énergie de vibration égal à W0 = ½ . 0 (dite énergie de vibration de zéro).

Elle peut sauter à W1 = (1 + ½) . 1, ainsi qu’éventuellement à des degrés supérieurs. Ces pulsa­tions 1 et 0 sont presque égales à celles de la radiation infrarouge absorbée: W1 - W0 = . .

C’est ainsi qu’en spectrométrie infrarouge, on mesure les modes de vibrations des molécules.

Il y a beaucoup d’autres modes d’interaction entre atomes ou molécules, et rayonnement.

En spectrométrie micro-ondes, on mesure leurs modes de rotation. En spectrométrie visible et lutra­violet, on mesure les niveaux d’énergie des électrons périphériques autour des atomes. En spectro­métrie X, on mesure les niveaux d’énergie des électrons profonds (premières couches, sur les élé­ments lourds). En spectrométrie gamma, on mesure la structure du noyau atomique.

C’est par ces moyens, que l’on peut connaître la composition des étoiles: en analysant leur lumière avec des prismes dispersifs, et de plus en plus, avec des réseaux.

 

3.     L’énergie de chaque quantum de lumière.            

3.1     Situons les rayonnements qui nous sont familiers, en énergie et en longueur d’onde.