Qu'est-ce qu'une onde ?
Une onde est la propagation d'une perturbation qui produit sur son
passage une variation réversible et locale des
propriétés physiques.
L'onde transporte de l'énergie sans transporter de matière.
D'un point de vue physique, une onde est un champ, c'est à dire
une zone de l'espace dont les propriétés sont
modifiées.
Selon les situations physiques, différentes formes d'ondes existent:
- L'onde oscillante, qui peut être périodique, par exemple les rides provoquées par un caillou tombant dans l'eau.
- L'onde de choc, que l'on perçoit acoustiquement au passage du mur du son par un avion.
- L'onde électromagnétique qui correspond à la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique dans le vide.
- L'onde acoustique ou sonore
qui se déplace dans un milieu matériel. Elle est
caractérisée par la perturbation du milieu
élastique dans lequel elle se déplace. Contrairement
à l'onde électromagnétique l'absence de ce milieu,
le vide empêche sa propagation.
On caractérise les ondes à l'aide de 2 paramètres: la
fréquence et la longueur
d'onde.
La fréquence est
l’une des unités de mesure permettant de décrire
une onde . Elle s’exprime en Hertz (Hz) (du nom du physicien
allemand qui mit en évidence l'existence des ondes
électromagnétiques) et indique le nombre
d’oscillations par seconde de l’onde. 1 Hz est égal
à une oscillation par seconde.
La longueur d’onde
est une mesure en mètre (m) qui permet de classer les
différents types d'onde. La longueur d’onde indique la
distance entre deux sommets de cette même oscillation.
Fréquence
et longueur d'onde sont liées : plus la fréquence est
élevée, plus la longueur d’onde est petite.
Le spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique est un classement de
toutes
les ondes électromagnétiques en fonction de leur
fréquence et de leur longueur
d'onde. Il
s’étend des ondes audibles par l'homme aux rayons
gammas, c'est-à-dire des
fréquences les plus basses aux fréquences les plus longues. La lumière visible est une toute
petite partie de ce spectre.
Sur le graphique du spectre électromagnétique:
- la
fréquence est en rouge, elle s'étend de 10 Hz pour le
son, le début de l'audition humaine et la
téléphonie jusqu'à 1024 Hz pour les ondes gamma.
- la longueur d'onde est en violet, elle s'étend de 108 m pour le son, le début de l'audition humaine et la téléphonie
jusqu'à 10-16 m pour les ondes gamma.
Les ondes électromagnétiques transportent de
l’énergie. Elles se déplacent, dans le
vide,
à la vitesse de la lumière.
L’énergie augmente
avec la
fréquence, jusqu’à devenir dangereuse.
Ainsi, les
ondes radio peuvent traverser le corps humain sans
conséquence
pour la santé. Tandis que les rayons X, à haute
dose,
peuvent brûler les cellules.
Le dessin ci-dessous donne un aperçu du spectre
électromagnétique. Je me suis inspirée
d'un poster
très complet et très intéressant qui
contient
diverses informations utiles aussi bien pour les chimistes, physiciens,
opticiens ou électroniciens. Voici l'adresse où
vous
pouvez vous procurer ce poster : http://www.exploratorium.edu/books/electro_spectrum.html
 |
Les unités de mesure les plus usitées sont indiquées en vert (mégamètre pour 106 m, kilomètre pour 103 m, millimètre pour 10-3 m etc ...)
Pour donner un ordre de grandeur, je situe sur l'échelle des exemples:
- 107 m pour le diamètre de la terre. 107 m = 10 mégamètre = 10 000 km ! La terre mesure en fait 12 756 km.
- 106 m pour la distance entre l'Alsace et la Bretagne. 106 m = 1 mégamètre = 1000 km !
- 100 m pour la longueur d'un terrain de foot (100 m x 50 m)
- 10-3 m pour la taille d'un oeil de mouche. 10-3 m = 1 millimètre
- 10-5 m pour le diamètre d'un cheveu. 10-5 m = 0,01 millimètre
- 10-8 m pour la molécule d'ADN.
etc...
Je
vous conseille
aussi d'aller faire un tour du côté de la
cité des sciences, vous
pouvez y trouver une animation qui vous permettra de vous
déplacer de
l'infiniment petit à l'infiniment grand:
http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/expositions/nanotechnologies/fondements/fondements_1b.php
Les ondes sonores
On parle d'ondes sonores relativement au spectre d'audition de l'homme.
Ce spectre s'étend de environ 20 Hz à 20 kHz.
Les ondes radios
Elles s'étendent de 9 kHz à 3 GHz environ. Les longueurs
d'onde correspondantes sont respectivement 33 km et 0,1 mm. On y
retrouve les fréquences utilisées entre autre par:
- les téléphones mobiles
- les chaines de télévision
- les stations radio
Les micro-ondes
Elles s'étendent de 1 GHz (30 cm) à 300 GHz (1 mm)
environ. L'utilisation la plus connue de cette gamme d'onde est le four
à micro-onde qui permet le réchauffement des aliments.
Les infra-rouges (IR)
L’infrarouge est située entre les micro-ondes et le rouge de la lumière visible. L’infrarouge lui s’étend de 300 GHz ou 3.1011 Hz (1 mm) à 4,2.1014 Hz (700
nanomètres). Le nom signifie « en-deçà du
rouge » (du latin infra : « en-deçà de
»), car l'infrarouge est une onde de fréquence
inférieure à celle de la lumière rouge.
La propriété
principale de l’infrarouge - invisible à l’œil nu - est de véhiculer la
chaleur, on parle alors de rayonnement thermique. A température normale, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine des infrarouges. Sa fréquence est légèrement plus élevée et
lui confère une plus haute énergie, ressentie sous forme de chaleur par
l’être humain.
Les infrarouges sont utilisés entre autre dans les
équipements de vision de nuit quand la quantité de
lumière visible est insuffisante pour voir les objets, dans le
domaine militaire ou dans les commandes à distance
(télécommandes). La fréquence du proche
infrarouge, utilisé par les
télécommandes par exemple, est suffisamment basse pour
qu’aucune
chaleur ne soit décelable.
L'infrarouge est souvent considéré comme "lumière" même s'il n'est pas visible par les humains.
Le spectre visible
La spectre visible (lumière visible ou spectre optique) est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.
Ce spectre s'étend approximativement de 400 nm à 700 nm,
avec une sensibilité maximale de l'oeil humain à la
lumière de longueur d'onde d'environ 550 nm, ce qui correspond
à une couleur jaune-verte. Les extrêmes correspondent
respectivement aux couleurs violet et rouge.
En physique, on utilise couramment une unité de mesure d'énergie: l'électron-volt (symbole eV).
Les ultraviolets (UV)
Ce
rayonnement est compris entre celui de la lumière visible et
celui des rayons X. Il est également
considéré "lumière" même si invisible à l'oeil.
Le nom signifie « au-delà du violet » (du latin
ultra : « au-delà de »), le violet étant la
couleur de longueur d'onde la plus courte de la lumière visible.
Les ultraviolets, qui ont des fréquences élevées
transportent plus d'énergie que les précédentes.
Elles commencent à présentées un certain danger
pour l'être humain. En fonction des effets du rayonnement UV sur
la santé humaine, on subdivise les UV en:
- UV-A (400-315 nm) sont responsables de l’effet de bronzage immédiat, favorisent le vieillissement de la peau et l’apparition de rides. Ils
sont bénéfiques pour certains types de pathologies de la
peau tel que le psoriasis ou la synthèse de vitamine D.
- UV-B (315-280 nm) sont responsables du
bronzage, des brûlures à retardement et des coups de soleil. Ils favorisent le
vieillissement de la peau et
l'apparition de cancers cutanés. De fortes intensités d'UV-B sont
dangereuses pour les yeux.
- UV-C (280-10 nm)
sont les plus nocifs, mais ils sont complètement filtrés
par l’atmosphère et n’atteignent pas la surface de
la terre.
Les rayons X
La longueur d'onde des rayons X s'étendent approximativement de 10 nanomètres à 5
picomètres. En raison de la petite longueur d'onde, ces rayons
peuvent pénétrer la peau et les organes humains, mais
sont absorbés donc "arrêter" par la "matière dure"
du corps humain: les os. Ce
rayonnement est utilisé dans de nombreuses applications dont
l'imagerie médicale et la cristallographie. En revanche, l'énergie transportée par ces rayons - de hautes fréquences - peuvent, à haute dose, brûler les cellules.
Les rayons gamma
Ils possèdent une longueur d'onde très courte inférieure à 5 picomètres. Le
rayonnement gamma est constitué de photons, comme la
lumière visible ou le rayonnement X, mais il est beaucoup plus
énergétique. La lumière visible a une
énergie de l'ordre de un électron-volt (1 eV). Les rayons
X ont une énergie de mille à un millions d'eV.
|
