Qu'est-ce qu'une onde ?

Description de l'image : Les ondes électromagnétiques sont formées par les vibrations 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 est une énergie qui se propage !

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, ne suffit pas 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 (c'est-à-dire 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.

L'onde et son Champ

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 transversales auto-propageantes.

Les ondes électromagnétiques sont formées lorsqu'un champ électrique se couple avec un champ magnétique. A ce moment là, ils oscillent à angle droit l'un par rapport à l'autre et se propagent perpendiculairement à la direction du déplacement. Autrement dit, les vibrations du champ magnétique et du champ électrique sont toujours perpendiculaires les unes par rapport aux autres mais aussi perpendiculaire à la direction de l'onde.

Les 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 intimement liés. Ces deux champs, décrit par James Clerk Maxwell (1831-1879), lorsqu'ils se couplent, forment les ondes électromagnétiques (voir image). Les ondes électromagnétiques contrairement aux ondes mécaniques, n'ont pas besoin de milieu physique 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'Energie Electromagnétique.

Le champ est un concept fondamental en physique, il n'est constitué de rien d'autre, c'est lui-même qui constitue le monde réel. Lorsqu'une force s'exerce sur eux, les champs transportent l'énergie, des atomes aux grandes structures galactiques.

N. B. : 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 Energie

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 (en hertz), la lumière infrarouge et visible en termes de longueur d'onde (en mètre), et les rayons X et rayons gamma en termes d'énergie (électronvolts).

La fréquence de l'onde est le nombre de phénomènes périodiques ou nombre de crêtes qui se reproduisent en une seconde, 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 les plus longues (ondes radio) peuvent mesurer plusieurs kilomètres, alors que les ondes les plus courtes (ondes gamma) peuvent mesurer jusqu'à 10^-12 mètre (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 (au-delà de 100 keV).

N. B. : 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.

Qu'est-ce que la lumière

Selon les équations de James Clerk Maxwell (1831-1879), la lumière est une onde transversale électromagnétique auto-propageante avec des composantes électriques et magnétiques où les champs électriques et magnétiques oscillent à angle droit les uns par rapport aux autres et se propagent perpendiculairement à la direction dans laquelle ils se déplacent indéfiniment à moins d'être absorbés par la matière intermédiaire.
Autrement dit, chaque type de champ - électrique et magnétique - génère l'autre afin de propager l'ensemble de la structure composite dans l'espace vide à la vitesse finie de la lumière.