L'amplitude des ondes électromagnétiques représentes quoi ?

[AstronomieLorraine]

Bonjour,

 

La longueur d'onde des ondes électromagnétiques informes sur leur niveau d'énergie (un rayonnement gamma avec une très petite période est plus énergétique qu'un rayonnement en lumière visible, et il est aussi beaucoup plus dangereux).

 

Mais imaginons deux longueurs d'ondes ayant la même période T, mais avec des "pics" de hauteur différente... je veux dire avec une amplitude plus grande de l'oscillation, ça représente quoi physiquement ? L'énergie est-elle différentes malgré une longueur d'onde identique ?

 

Merci à vous ! Bonne journée

[Ygogo]

Bonsoir

Aïe aïe aïe... ce sont de bonnes questions, mais il va falloir clarifier un peu certains points.

je reviens dans quelques minutes pour répondre tranquillement.

[Ygogo]

Tout d'abord, je rappelle que la description d'un faisceau de rayonnement électromagnétique peut se faire :

1- ou bien en parlant des "ondes" (c'est ce qu'on fait explicitement quand on parle des "ondes radio" ou des "micro-ondes", et souvent de façon implicite quand on parle d'un "faisceau de lumière"). Dans ce cas on peut parler de longueur d'onde (exemple : raie jaune-orangé du sodium 589 nanomètres) et aussi de fréquence (France Info 105,5 MHz) ou plus rarement de période [ période en seconde = 1 / (fréquence en Herz) ]

2- ou bien en parlant des "photons" qui sont les quanta du rayonnement. Difficile de les comparer à des objets de notre environnement familier, mais on peut les imaginer comme des petits "paquets d'énergie" qui voyagent (à la vitesse c=299 792 458 km/s dans le vide, plus lentement dans les matières transparentes) et qui peuvent interagir avec les objets qu'ils rencontrent (par exemple en leur donnant leur énergie). 

 

Selon les circonstances il peut être plus facile de raisonner en termes de photons ou en terme d'ondes, de toute façon le rayonnement est toujours "les deux à la fois" !

Là où le cafouillage risque de commencer, c'est quand on mélange les descriptions (1) et (2) sans précautions 😁

 

Je vais reprendre ton texte et commenter ou rectifier au fur et à mesure :

 

Il y a 6 heures, AstronomieLorraine a dit :

La longueur d'onde des ondes électromagnétiques informe sur leur niveau d'énergie l'énergie transportée par chaque photon du faisceau (un rayonnement gamma avec une très petite période (ou une très grande fréquence) est formé de photons plus énergétiques que ceux d'un rayonnement en lumière visible, et il est aussi beaucoup plus dangereux par exemple parce qu'une cellule vivante absorbe sans problème un photon de lumière visible peu énergétique, alors qu'un photon gamma 500 000 fois plus énergétique peut déglinguer plusieurs cellules d'un coup, par différents mécanismes  ).

 

Il y a 6 heures, AstronomieLorraine a dit :

Remarque : (E, Energie d'un photon) =  (h, constante de Planck) x ( N, fréquence) = (h, constante de Planck) x (c, vitesse de la lumière) / (lambda, longueur d'onde)

 

Mais imaginons deux longueurs d'ondes  deux faisceaux de rayonnement ayant la même longueur d'onde ayant (et donc la même période T), mais avec des "pics" de hauteur différente... je veux dire avec une amplitude plus grande de l'oscillation, ça représente quoi physiquement ?  ça représente deux faisceaux qui ne transportent pas la même énergie à chaque seconde (ou la même puissance).

 

Je prends l'exemple simple de deux  lasers rouges (même couleur)

Le premier est destiné à une conférencier qui pointe des trucs sir son diaporama, il a une puissance de 0,5 milliwatt, et même utilisé maladroitement il n'y a pas de risques pour les yeux parce que "l'amplitude de l'onde" n'est pas trop grande. 

Le deuxième est destiné à des "animations laser" en extérieur pour les spectacles. Il a un puissance de 2 watts, soit 4000 fois plus que l'autre. "l'amplitude de l'onde" est énorme, non seulement ça peut instantanément provoquer des lésions irréversibles de la rétine mais ça peut aussi mettre le feu facilement à une cible combustible si c'est focalisé dessus 😒 .

 

Il y a 6 heures, AstronomieLorraine a dit :

L'énergie est-elle différentes malgré une longueur d'onde identique ? 

Attention, tu parles de quelle énergie ?

Si tu parles de l'énergie d'un seul photon, elle est la même dans les deux cas, puisque "c'est le même rouge" donc même longueur d'onde, même période, même fréquence...

Si tu parles de l'énergie totale transportée par le faisceau en un temps donné, alors elle  4000 fois plus grande dans le deuxième cas... parce qu'il y a 4000 fois plus de photons dans le faisceau !

 

Bon, j'espère que ça répond à tes questions !

Qu'en penses-tu ?

 

Modifié 30 janvier 2023 par Ygogo

[AstronomieLorraine]

@Ygogo

 

Enorme merci pour ton explication !! Elle est très claire. En effet je parlais seulement du point de vu des expériences qui traitent la lumière comme une onde.

 

Donc si je comprend bien, le fait qu'il y ait des énergies différentes pour une même couleur (par exemple rouge dans le visible) ne peut que venir d'une différence d'intensité dans le nombre de ces photons émis. Mais dans les deux cas, si on prend un seul photon, c'est le même.

 

Donc si on garde cette description ondulatoire de la lumière, il n'y a pas d'autres informations que la période si j'ai bien compris ? C'est à dire que parler de "hauteur des pics" de l'onde est un non-sens ?

Modifié 30 janvier 2023 par AstronomieLorraine

[Ygogo]

Il y a 10 heures, AstronomieLorraine a dit :

Donc si on garde cette description ondulatoire de la lumière, il n'y a pas d'autres informations que la période si j'ai bien compris ? C'est à dire que parler de "hauteur des pics" de l'onde est un non-sens ?

 

Ce n'est pas un non-sens ! cependant il vaudrait mieux trouver une autre expression que "hauteur de pic".

Disons d'abord que cette description sera plutôt adaptée lorsque la période (ou la longueur d'onde) sont bien plus grandes que pour la lumière visible, parce que dans ce cas on n'a plus du tout intérêt à parler de photons.

 

Mais on peut garder la même description pour les deux faisceaux laser rouge dont je parlais : 

- le faisceau du pointeur laser de faible puissance correspond à une onde de faible amplitude (on pourrait dire "petites oscillations du champ électromagnétique")

- le faisceau du pointeur laser de GRANDE puissance correspond à une onde de GRANDE amplitude (on pourrait dire "GRANDES oscillations du champ électromagnétique")

 

Pour mieux faire comprendre cette idée, on peut (avec la plus grande prudence !) utiliser une analogie avec un autre type d'onde, de nature complètement différente ; une onde sonore.

(attention, là, l'onde se propage uniquement dans un milieu élastique, elle correspond à des variations de pression)

Je demande à ma belle-fille de jouer un La 4 avec sa  flute à bec, la fréquence fondamentale est 880 Hz.

Si elle souffle d'abord tout doucement, l'onde sonore aura une faible amplitude (faibles variations de pression, de fréquence 880 Hz) et ça ne me fera pas mal aux oreilles. Si elle souffle ensuite de façon à produire la même note "le plus fort possible", ça me fera mal aux oreilles parce que les variations de pression auront une grande amplitude (fortes variations de pression) mais la fréquence sera toujours de 880 Hz et la longueur d'onde dans l'air n'aura pas changé.

 

On va voir aussi ce que ça donne pour des ondes radio, souvent représentées par un schéma, je reviens dans quelques minutes.

 

Modifié 31 janvier 2023 par Ygogo
explication plus détaillée

[Ygogo]

Bon, voilà un schéma représentant une onde électromagnétique, avec le champ électrique et le champ magnétique oscillants transversalement.

 

La différence entre une onde qui transporte peu d'énergie (exemple : une onde radio loin de l'émetteur) et une autre qui en transporte beaucoup ("près" de l'émetteur), ça va être "la longueur des flèches" (l'intensité des champs), c'est probablement ça que tu appelles "hauteur des pics" ?

 

 

On peut se représenter de la même façon une "onde lumineuse monochromatique" émise par les lasers rouges utilisés plus haut, la "longueur des flèches" serait  petite ou grande selon le cas.

Modifié 31 janvier 2023 par Ygogo

[AstronomieLorraine]

@Ygogo

 

(pour la suite de ma réponse je parlerais de "pic" pour simplifier même si je sais maintenant que c'est pas le bon terme)

 

Merci pour ton explication à nouveau !! 

 

Si j'ai bien compris, Deux ondes électromagnétiques de longueur d'onde identique peuvent avoir des niveaux d'énergies différents. (comme pour ta métaphore de l'onde sonore). Mais dans ce cas, connait on l'origine de ces variations d'amplitudes des "pics"  ? Je veux dire, est-on capable de réaliser en laboratoire des lasers produisant des ondes radios ayant une amplitude des "pics" telle que l'énergie d'un de ses photons correspondrait à une onde infrarouge ? Voir visible ?

 

En fait je ne comprend pas ce qui, dans la nature, fait varier ces "pics"... puisque les ondes électromagnétiques émises par un atome donné est toujours d'une même longueur d'onde donnée. Par exemple, un atome d'hydrogène excité libère toujours la même quantité d'énergie... donc toujours la même amplitude d'un "pic" ? Pourquoi ?  

 

PS : incroyable je ne savais pas qu'une onde électromagnétique était l'addition d'une onde électrique et une magnétique évoluant de manière perpendiculaire...

Modifié 2 février 2023 par AstronomieLorraine

[Ygogo]

Bonsoir 

Je suis désolé, mais il y a encore beaucoup de confusions et d'inexactitudes dans ce que tu dis.

Et je dois avouer que ce soir je n'ai pas du tout la disponibilité d'esprit nécessaire pour essayer de clarifier.

 

Donc, à suivre, ultérieurement...

 

(mais si quelqu'un veut prendre le relais, je passe !)

 

[AstronomieLorraine]

OK ! Je pense néanmoins compris ce que tu voulais dire, mais que je me suis très mal exprimé dans mon commentaire réponse. Je réessaye ici.

 

Tu dis La différence entre une onde qui transporte peu d'énergie (exemple : une onde radio loin de l'émetteur) et une autre qui en transporte beaucoup ("près" de l'émetteur), ça va être "la longueur des flèches" (l'intensité des champs)

 

Ce qui signifie qu'effectivement, ces "pics" représentent des énergies différentes pour une même longueur d'onde. DONC la longueur d'onde n'est pas la seule donnée qui influe sur la quantité d'énergie de la lumière. Cela étant accepté, je me pose maintenant la question de l'origine de ces variations d'intensités : tu parles d'éloignement à un émetteur... pour quelle raison l'éloignement a t'elle un effet sur l'intensité ? Décroit-elle avec la distance parcourue ?

 

 

[sixela]

Il y a 3 heures, AstronomieLorraine a dit :

En fait je ne comprend pas ce qui, dans la nature, fait varier ces "pics"

L’énergie et donc Le nombre de photon qu’on va probablement détecter, pardieu !

 

 

 

il y a une heure, AstronomieLorraine a dit :

tu parles d'éloignement à un émetteur... pour quelle raison l'éloignement a t'elle un effet sur l'intensité ? Décroit-elle avec la distance parcourue ?

Oui, si la source produit un champ isotrope (qui rayonne dans tous les sens au plus on s’éloigne au moins on a de chance de détecter un photon émis, ce qui se traduit par une amplitude inférieure (pour un flux donné émis par la source). 

Au fait, une perturbation du champ électromagnétique se déplace comme calculée par les équations de propagation d’une onde, et en 2D tu as le même effet en jetant un caillou dans une mare et en observant les ondes. L’amplitude est également plus haute près de la source, baissant de façon linéaire avec la distance. Dans l’espace comme on a des sphères et pas des cercles ça baisse avec le carré de la distance.

 

Bien sûr si on arrive à focaliser un faisceau ça baisse moins vite (d’où l’utilité d’une antenne parabolique sur un émetteur.)

Modifié 2 février 2023 par sixela

[AstronomieLorraine]

Il y a 1 heure, sixela a dit :

L’énergie et donc Le nombre de photon qu’on va probablement détecter, pardieu !

 

 

 

Oui, si la source produit un champ isotrope (qui rayonne dans tous les sens au plus on s’éloigne au moins on a de chance de détecter un photon émis, ce qui se traduit par une amplitude inférieure (pour un flux donné émis par la source). 

Au fait, une perturbation du champ électromagnétique se déplace comme calculée par les équations de propagation d’une onde, et en 2D tu as le même effet en jetant un caillou dans une mare et en observant les ondes. L’amplitude est également plus haute près de la source, baissant de façon linéaire avec la distance. Dans l’espace comme on a des sphères et pas des cercles ça baisse avec le carré de la distance.

 

Bien sûr si on arrive à focaliser un faisceau ça baisse moins vite (d’où l’utilité d’une antenne parabolique sur un émetteur.)

@sixela 

 

Bonjour Sixela,

 

Pour la suite de l'énoncé, et pour être le plus clair, j'appellerais "intensité lumineuse" la caractéristique d'une onde lumineuse à avoir des "pics" plus ou moins haut, indépendamment de la longueur d'onde.

 

J'ai quelques problèmes avec tes propositions. Notamment cette phrase : au plus on s’éloigne au moins on a de chance de détecter un photon émis, ce qui se traduit par une amplitude inférieure (pour un flux donné émis par la source)

 

Je ne comprend pas le rapport entre :

1) la baisse d'énergie globale par diffusion du rayonnement, selon la loi en carré de la distance (ce que tu dis en parlant de photon de plus en plus difficile à détecter avec l'éloignement)

2) le fait que l'intensité d'une onde électromagnétique prise individuellement baisserait parce qu'elle s'éloigne. Je rappelle qu'ici baisse d'intensité = baisse de l'amplitude des pics de l'onde électromagnétique

 

Dans le premier cas, tu parle de probabilité qu'un détecteur rencontre au moins 1 photon, dans le deuxième cas on parlerait d'un phénomène physique intrinsèque à l'onde électromagnétique, à savoir le fait que l'intensité de l'onde elle-même diminuerait à mesure qu'elle se déplacerait dans l'espace. 

 

De ce que je connais, seulement deux caractéristiques expliquent la baisse d'énergie à mesure que la distance à une source lumineuse augmente :

- La diffusion du rayonnement suivant une loi inversement proportionnelle au carré de la distance. Cette loi n'a, il me semble, pas de rapport avec l'intensité de l'onde, c'est juste la probabilité de croiser un photon ou non sur notre détecteur : Loi en carré inverse — Wikipédia (wikipedia.org)

- sur de longues distances, l'expansion de l'univers à tendance à étirer les ondes lumineuses (puisque l'espace dans lequel progresse ces ondes augmente lui-même). Encore une fois, on ne parle pas de l'intensité de la longueur d'onde, on parle de la longueur d'onde elle-même.

 

De plus, pourquoi la relation de Plank-Einstein établie que, d'un point de vu quantique, E = h*v ? On ne voit ici que la longueur d'onde, aucune mention du rôle de l'intensité du rayonnement dans l'énergie E du photon.

 

Du coup je suis encore plus perdu qu'au début du topic

 

Citation

Au fait, une perturbation du champ électromagnétique se déplace comme calculée par les équations de propagation d’une onde, et en 2D tu as le même effet en jetant un caillou dans une mare et en observant les ondes. L’amplitude est également plus haute près de la source, baissant de façon linéaire avec la distance. Dans l’espace comme on a des sphères et pas des cercles ça baisse avec le carré de la distance.

 

ton deuxième exemple me pose aussi problème : celui des vagues dans l'eau dont l'intensité diminuerait en parcourant l'eau. C'est bien vrai, mais selon moi cette baisse d'intensité dépend exclusivement des frottements induits par le déplacement des molécules d'eau : l'énergie cinétique est transformée en énergie thermique et l'onde diminue. 

 

Quid des ondes électromagnétiques ? En sachant que la lumière ne se déplace pas dans un éther luminifère ou dans n'importe quel autre substrat comme on le pensait à l'époque. Il ne peut pas y avoir de perte d'énergie d'un photon par transfert avec un milieu. Soit le photon se diffuse, soit il est absorbé par un atome et dans ce cas il n'existe plus sous la forme électromagnétique. Donc je ne comprend toujours pas pourquoi les ondes électromagnétiques perdent de l'intensité.

 

D'ailleurs, même si cette intensité diminue, cela doit être ridiculement faible puisqu'on peut percevoir de la lumière ayant parcourue 13 milliards d'années lumières !

Modifié 3 février 2023 par AstronomieLorraine

[LH44]

De mes souvenirs d'école, le photon a une énergie propre qui est calculée de la même manière pour tous les photon de l'univers : E = h . v, ça c'est un fait jamais remis en cause à ce jour, c'est cette énergie qui est éventuellement transférée lors des interactions entre particules (photons et autres) décrites par la mécanique quantique, typiquement c'est ce que l'on reproduit tous les jours dans l’accélérateur de particules du CERN à Genève. Évidement plus ceux ci sont en nombre et de fréquence élevée plus ils sont puissant et vont occasionné des dommage sur nous par exemple, mais un seul photon de rayonnement gamma ne va pas nous annihiler, les astronautes qui sont les seuls humains exposés à ce type de rayonnement à très haute énergie E reviennent en général vivants de leur expérience en orbite  

 

Comme déjà évoqué plus haut, la lumière peut aussi (et surtout !) être décrite comme la combinaison de 2 champs E et B, lorsqu'il y a plusieurs photons incidents corrélés et qui n'interfèrent pas on peut "interpréter" leurs actions sur leur milieu comme une onde unique de même fréquence que les photons individuels et d'amplitude plus importante donc un champ électromagnétique "amplifié" dont on peut déterminer sa puissance P par unité de surface qui on sait sera fonction de la distance et connaissant (par mesure par ex) cette puissance on peut par une simple division déduire le nombre de photon équivalents. Bon je n'ai pas la formule comme ça en tête mais il faut relire les résultat de l'électromagnétisme de Maxwell pour préciser tout ça

Modifié 3 février 2023 par LH44

[sixela]

Il y a 9 heures, AstronomieLorraine a dit :

mais selon moi cette baisse d'intensité dépend exclusivement des frottements induits par le déplacement des molécules d'eau

et également (et surtout) parce que l’énergie se distribue sur une longueur (en 2D) et une surface (en 3D) plus importante.

 

si tu ne voyait pas une bougie moins éclairer à 1 km qu’à 1 m, alors il suffirait d’une bougie pour éclairer le monde ;-).

Modifié 3 février 2023 par sixela

[AstronomieLorraine]

Citation

si tu ne voyait pas une bougie moins éclairer à 1 km qu’à 1 m, alors il suffirait d’une bougie pour éclairer le monde ;-).

 

@sixela

 

Mais il y a une grosse différence entre l'atténuation qui a lieu dans des milieux comme l'air, qui se fait par réchauffement de l'air et d'autres interactions avec le milieu, et un milieu comme le vide non ? 

 

Bon en fait je pense avoir compris mon erreur. C'est dans ma représentation même de ce qu'est une onde électromagnétique. Dans ma tête,  un unique photon ou une unique onde électromagnétique ne se déploie que sur un axe, et pas de manière isotrope. J'ai fais un schéma :

 

 

Personnellement je vois la diffusion de la lumière comme dans la représentation 2. Dans ce cas la, un détecteur (en rouge) détectera la lumière, et l'éloignement de la source fait seulement qu'il y aura moins de "photons" ou d'ondes lumineuses qui taperont dans le détecteur. Mais que l'onde lumineuse en elle même reste inchangée.

 

Dans la représentation 1, effectivement je comprend alors pourquoi l'intensité de l'onde diminue avec la distance... et si la réalité c'est cette représentation alors je comprend maintenant

 

 

 

Modifié 3 février 2023 par AstronomieLorraine

[sixela]

En effet, mais la représentation 2 est trompeuse. La fonction d'onde d'un photon n'est pas unidirectionnelle. Tant qu'il n'interagit pas avec un détecteur ou une autre particule le photon part dans toutes les directions. Ce n'est que la détection qui cause l'effondrement de la fonction d'onde (qui en fait une particule plus ou moins bien localisée). À noter: un medium ou même un miroir de télescope ne cause pas d'effondrement (le photon interagit avec les electrons et les noyaux de l'aluminium mais on ne sait pas lesquels et il interagit donc avec tout le miroir, avec une onde résultante qui est la somme de toutes les interactions possibles; c'est ce qui rend la description comme onde électromangétique si pratique en physique dans le monde "classique" macroscopique. Par contre un capteur détruit le photon et on a donc bien une interaction bien localisée.)

 

Voir l'expérience de Young avec les deux fentes: chaque photon passe par les deux fentes, sinon il n'y aurait pas d'interférence. Par contre sur l'écran un photon est détruit et produit une tache, avec une interaction localisée.

 

Si on veut, la fonction d'onde et la description electromagnétique comme onde ont une amplitude qui grandit avec la probabilité de détecter le photon sur un capteur ayant une certaine surface (pour ce qui est de l'onde électromagnétique, cette probabilité est proportionnelle avec le carré de l'amplitude).

 

Mais même si on considérait que le photon était localisé même sans détection et que l'onde décrirait simplement une probabilité (mais voir ci-dessus, c'est faux, comme différentes parties du front d'onde peuvent montrer des phénomènes d'interférence) on voit bien que la probabilité de détecter un photon qui irait "tout droit mais dans une direction aléatoire" sur un capteur avec une surface donné décroit avec le carré de la distance, comme la sphère autour de la source à la même distance que le capteur grandit avec le carré de la distance mais la surface du capteur reste constante.

Modifié 3 février 2023 par sixela

[AstronomieLorraine]

OK merci Sixela c'est clair.

 

Donc en fait, le représentation usuelle de l'onde comme d'une vague bidimensionnelle et directionnelle ne représente pas du tout la réalité des ondes électromagnétiques, qui sont nécessairement isotropes tant qu'elles sont considérées comme des fonctions d'ondes. 

 

 

Par exemple : cette représentation (ci dessous) de l'émission d'une onde lumineuse n'est pas bonne... on devrait plutôt représenter par des cercles (voir des sphères) concentriques partant de l'électron. C'est bien cela ?

https://broccosquad.files.wordpress.com/2018/01/image.png?w=723

[sixela]

Elles ne restent pas nécessairement isotropes. Elles le sont la plupart du temps à la source et dans le vide elles se propagent dans tous les sens, mais avec un télescope on arrive par exemple à focaliser une petite partie vers un motif de diffraction sur le plan focal ;-). Et si on bloque un partie du front d'onde en aval ce n'est plus isotropique non plus.

 

Si on dessine en effet une ligne avec des vecteurs pour visualiser l'onde, c'est pour illustrer ce que le champ fait sur les points de la ligne. Cela ne veut en effet pas dire qu'en dehors de la ligne le champ est nul.

 

C'est comme avec une vague sur un bout de papier. Quand on regarde ça et puis on va à la plage, on ne doit pas s'attendre à voir une vague comme une ligne sinusoidale; le dessin était une représentation d'une coupe d'une vraie vague.

Modifié 3 février 2023 par sixela