Champs électromagnétiques

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Si vous lisez ces lignes vous pouvez dire merci à qui ? Aux champs électromagnétiques !! Heureusement pour vous (nous), vous pouvez les apercevoir, les champs électromagnétiques, ce qui vous facilite grandement la vie.


Les champs électromagnétiques c’est quoi ?

La nature nous a bien fait et par chance nous sommes sensibles aux champs électromagnétiques, donc avant même de les comprendre, vous pouvez et vous les avez fortement testés, utilisés, admirés. Dans cet article nous commencerons par essayer de comprendre ce que sont ces champs. Ahh oui pour ceux qui n’ont pas compris à quel sens humain (animal) je fais allusion, c’est la vue. Vos yeux sont de merveilleux capteurs de champs électromagnétiques.

Décomposons en deux cette entité qu’est le “champ” “électromagnétique”.

Un champ

En physique on utilise souvent la notion de champ pour définir, quantifier un état d’une partie du monde (sens général). Cette notion est comme une zone, par exemple un champ de blé ou l’on regarde un paramètre (une valeur) comme la couleur de l’épi de blé. Le champ de couleur de votre champ de blé est la valeur de cette couleur pour tous vos épis.

Exemple typique de champ (température et pression) :

champs électromagnétiques, champ de température champs électromagnétiques, champ de pression

Donc un champ, c’est lorsqu’on définit, quantifie une “valeur” (exemple ci-dessus: température, pression) pour une “zone” donnée (exemple ci-dessus: la France, l’Europe).

Que signifie “valeur” : vous pensez certainement que la “valeur” d’une grandeur physique est un chiffre, comme le poids d’une personne : 70kg. Ce chiffre est la “valeur” du poids, c’est simple et court. Mais si je vous demande la “valeur” de la taille de votre véhicule habituel, c’est plus compliqué de donner un seul chiffre. Si je vous dis deux mètres c’est pas très clair, car on ne sait pas si c’est un vélo, une moto, une petite voiture, etc et donc la taille de votre véhicule n’est pas définit par un seul chiffre, un chiffre n’est pas suffisant. Donc pour définir la “valeur” d’un objet, d’une entité physique, il est nécessaire, certaine fois, de définir plus qu’un seul nombre. Autre exemple pour fixer les esprits :  le pouvoir d’achat, pouvez-vous fixer cette “valeur” par un chiffre unique ? Non chacun comprend que c’est une notion plus complexe. De plus pour comparer deux valeurs complexes (composées d’autres valeurs, de chiffres), il est nécessaire d’avoir d’être dans un espace commun. Comment comparer (est-ce comparable ?) le pouvoir d’achat d’un Camerounais et d’un Thaïlandais ? Cette grandeur est bien composée de plusieurs éléments, de plusieurs valeurs, mais le référentiel de la “valeur” pouvoir d’achat n’est pas le même.

Vous trouverez d’autres explications, voir article “opérateurs mathématiques“, pour les divers types de grandeurs physiques et regardez également sous les vocables de grandeur scalaire et vectorielle.

Que signifie “zone” : Il ne faut surtout pas penser uniquement en terme de localisation pour la “zone”, prenez par exemple la taille d’une population. Le champ de la taille d’une population, la valeur définie c’est la hauteur (taille) des gens et la “zone” c’est l’ensemble des personnes pris en compte. Ce terme de “zone” est simplement une délimitation connue ou/et admise pour la valeur étudiée, ce n’est pas réduit à l’espace au sens géographique ou espace local.

La représentation des champs

Elle peut-être très diverses, nous nous contenterons d’une visualisation simplifiée. Dans le cas des champs électromagnétiques, “la zone” c’est l’espace. Mais comme il est compliqué de bien représenter des champs dans l’espace (3D) qui nous entoure, nous utiliserons le mode plan (2D). En mode plan un champ est symbolisé par deux types de lignes: les lignes de champs et les équipotentielles

Les lignes de champ sont comme la représentation  flux du champ, plus de lignes, plus le champ est concentré, c’est un peu comme le cours d’une rivière, c’est la représentation de son flux, l’image est assez explicite. Sur la photo de la foule, les lignes de champs symboliseraient le déplacement des personnes.

champs électromagnétiques, lignes de champ champs électromagnétiques, lignes de champ

Les lignes équipotentielles sont la représentation de la valeur du champ. Le long d’une équipotentielle la valeur du champ est identique, par exemple les lignes de même pression sur l’image ci-dessus ou les lignes (couleur jaune-beige) de même altitude sur la carte géographique ci-dessous.

champs électromagnétiques, équipotentielles

Électromagnétisme

C’est la composition de deux mots “électro” et “magnétisme”. Nous allons donc revoir ce qu’est l’électricité pour le terme “électro” et après on s’occupera du “magnétisme”.

L’électricité

Vous pouvez (re)lire l’article  sur le courant électrique comme point de départ.

Certaines particules élémentaires (proton, électron, …) ont la faculté de s’attirer ou de se repousser suivant leur charge électrique. Cette valeur (charge) est intrinsèque à la particule et cette attraction/répulsion agit à distance et c’est particularité qui permet d’introduire cette notion de champ. Le champ électrique est, dans une zone définie, la particularité de chaque point de l’espace d’attirer/repousser les particules sensibles aux forces électriques. L’intensité du champ électrique étant dépendant de la quantité des charges électriques présente dans la région. Comme certaine particule (les électrons par exemple) peuvent “voyager” donc elles peuvent s’accumuler.

Ce qui faut retenir c’est que l’électron est une des particules élémentaires qui est sensible au champ électrique et donc il réagit à ce champ. de plus sa présence change la valeur du champ électrique car

un électron réagit et émet un champ électrique,

ce n’est pas la seule entité mais pour nous ce sera suffisant.

Le magnétisme

Vous connaissez tous les aimants, c’est un objet constitué d’une matière qui attire certain matériau ou d’autres aimants. Cette matière, comme toute matière, elle est constituée d’atome et donc de particules élémentaires, dont les électrons. Chose curieuse l’électron est le plus petit aimant connu, c’est un “micro-aimant”. L’électron en plus d’être sensible et d’émettre un champ électrique, il fait de même avec le champ magnétique, il en est un émetteur et il lui est sensible.

Un électron est sensible et émet un champ magnétique.

Résumé

Les électrons sont sensibles (réagissent) aux champs magnétiques et électriques, de plus ils sont émetteurs de champs électriques et de champs magnétiques.

Voilà maintenant vous avez une idée de ce que sont les champs électromagnétiques, c’est un mélange de champs électriques et de champs magnétiques et comme leurs sources peuvent provenir de la même particule, ils sont naturellement fortement imbriqués.


Le champ électrique

Nous avons défini ce qu’est le terme “champ”, regardons maintenant le terme “champ électrique”.

Charge statique

Comme nous l’avons vu, le terme “champ” correspond à une “zone” et pour le champ électrique, “zone” est à prendre dans le sens localisation. La “valeur” de ce champ représente l’intensité de l’attraction/répulsion des entités sensibles aux champs électriques. Ahh oui j’ai oublié; les charges électriques sont soit positives soit négatives, et l’on constate que les charges de même signe se repoussent tandis que les charges opposées s’attirent.

Commençons par le début soit une particule chargée, elle “déforme” autour d’elle le champ électrique. Le terme de déformer est à prendre comme la superposition du champ électrique sans la particule avec le champ électrique de cette particule.

champs électromagnétiques, champ électrostatique

Les images ont été réalisées grâce au site  : http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue

Vous trouverez beaucoup de présentations/visualisations des champs électriques, en fait on visualise les lignes de champs et/ou les équipotentielles. Il y a un point très important à noter, toutes les images ci-dessous sont des champs électriques avec des particules fixes (elles ne bougent pas par rapport aux référentiel du champ), on appelle généralement ces champs  électriques : champs électrostatiques.

Voici deux images qui présentent schématiquement les lignes de champs pour une charge positive et négative. La flèche indique le sens de l’action de la force d’attraction/répulsion électrique.

champs électromagnétiques, champ électrostatique

Images avec la représentation schématique des lignes de champs de deux charges (même signe et signe opposé)

champs électromagnétiques, champ électrostatique

Deux vidéos pour visualiser ces champs électrostatiques, on visualise les lignes de champ. (3’52 et 1’53)

Pour un peu de récréation, voici quelques expérimentations de physique amusante, très simples, qui mettent en avant les champs électrostatiques (5’38)

Charge en mouvement

Maintenant essayons de voir ce qu’est un champ électrique avec une charge en mouvement. Mais avant je dois spécifier quelque chose, vous avez bien noté que la particule élémentaire, l’électron, est émettrice et sensible à la fois au champ électrique et magnétique. Vous devez bien imaginer qu’il y a interaction entre les champs électriques et magnétiques puisse que leur source peut-être la même particule. Ce fait sera abordé dans le chapitre du couplage des champs, mais ce point “annonce” que le champ électrique d’une charge en mouvement n’est pas simplement son champ électrostatique en déplacement. Pour nous, cette simple vision sera suffisante comme interprétation.

Voici une courte visualisation (0’22) de ce qu’est un courant électrique, comme représenté c’est un déplacement d’électrons. Nous aurons dans et autour du conducteur un champ électrique.

champs électromagnétiques, champ électrique

Résumé

 Ce n’est que deux facettes d’un même phénomène, mais la dénomination change :

charge fixe → électrostatique → champ électrostatique
charge en mouvement → courant électrique → champ électrique

Nota : Dans énormément d’ouvrages, cette distinction n’est pas vraiment explicitée, c’est admis comme évident !


Le champ magnétique

C’est un peu similaire au champ électrique sauf que dans ce cas c’est la sensibilité des particules au champ magnétique qui est comptabilisée. Pour rappel ce champ trouve son origine dans le spin des électrons. On comprend que ce champ est aussi dépendant de la matière, mais à la différence du champ électrique, il n’y a pas d’isolant magnétique. Je passe sous silence les supra-conducteurs et l’effet Meissner. Effectivement comme vous le savez, l’électricité (le courant électrique) ne peut pas se propager dans les matières isolantes, comme le bois ou généralement les plastiques. Le magnétisme ne fonctionne pas comme cela, la matière y est sensible ou non mais elle ne permet pas de bloquer (isoler) le champ magnétique.

Les lignes de champs d’un aimant et celles d’un pôle S-N l’un près de l’autre. Vous pouvez également visualiser que les lignes de champ d’un aimant se referment toujours sur elles-mêmes, c’est particulièrement visible sur la première photo.

  champs électromagnétiques, lignes de champ magnétique champs électromagnétiques, lignes de champ magnétique

Une vue d’artiste du champ magnétique terrestre

champs électromagnétiques, lignes de champ magnétique

A la différence de l’électricité, le magnétisme n’a pas de particule Nord ou Sud, mais c’est toujours un ensemble de “charge” Nord-Sud. Sans entrer dans les détails, l’électron est un micro-aimant qui tire sa source de son spin. On voit que cette particule électron est vraiment un siège très important de liaison entre l’électricité et le magnétisme. 


Couplage champ électrique et magnétique

Comme vous l’avez compris les électrons peuvent être à l’origine de l’électricité et particulièrement du magnétisme, il est donc aisé d’imaginer que le champ électrique et le champ magnétique soient intimement liés. Cette liaison se manifeste par leur interdépendance et souvent si l’un est présent l’autre aussi.

Si un champ électrique est présent, un courant électrique dans un conducteur crée un champ électrique, vous verrez apparaître un champ magnétique ce que montre la vidéo (1’52). Vous pouvez remarquer également le fait que les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires l’un par rapport à l’autre.

Pour essayer d’être le plus clair possible, supposons que nous regardions le champ électrique d’une charge qui est statique, donc un champ électrostatique. Ce champ électrique (électrostatique) est la représentation de la force que cette charge exerce sur toutes les entités sensibles au champ électrique (voir les images ci-dessus, chapitre champ électrostatique). Mais il n’y a pas d’interaction avec l’aiguille de la boussole par exemple, seul le champ magnétique terrestre agit et oriente cette dernière. Même en déplaçant la batterie (les charges changent de position mais en un bloc) la vitesse de variation du champ électrique est beaucoup trop faible (il est pratiquement constant) pour faire apparaître un mouvement de ma boussole. Il est vrai que cette boussole est de piètre qualité, donc peu sensible au champ magnétique. Quelques photos pour vous convaincre que si un champ électrique (électrostatique) est présent cela ne perturbe en rien l’aiguille aimantée, il n’a pas de champ magnétique induit.champ magnétique, boussole lignes de champ électrostatique    champ magnétique, boussole lignes de champ électrostatique champ magnétique, boussole lignes de champ électrostatique champ magnétique, boussole lignes de champ électrostatique 

On résume :
champ électrostatique -> pas de champ magnétique induit
champ électrique constant -> champ magnétique constant
champ électrique variable -> champ magnétique variable

Prenons le “problème” dans l’autre sens, nous avons un champ magnétique constant (exemple un aimant) mais pas de champ électrique (pas de courant électrique) induit. Par contre si le champ magnétique est variable, alors nous verrons un champ électrique variable induit apparaître. Voici deux très courtes vidéos (0’38 et 0’17) présentant ce phénomène :

On résume:
champ magnétique  constant -> pas de champ électrique
champ magnétique variable -> champ électrique variable

Et maintenant si on mixe nos observations :

champ magnétique variable -> champ électrique variable -> champ magnétique variable -> champ électrique variable -> champ magnétique variable ->  champ électrique variable -> etc

Pour rappel un champ est une “zone” et une “valeur”, une fois le premier champ (électrique ou magnétique) variable émit, une propagation de la variation des valeurs s’effectuera presque sans fin. On peut aussi comprendre que la propagation des champs électromagnétique dans le vide, sans pour cela avoir un support, est possible.


Les ondes électromagnétiques

Je ne vous ai parlé jusqu’à présent que des champs électromagnétiques, mais probablement vous connaissez l’expression les “ondes électromagnétiques”. Quelles différences ? En fait c’est presque pareil !

ondes à partir de champ électrique et magnétiqueondes variation amplitude   propagation d'onde

Le terme onde met en avant le phénomène de propagation des champs. Une onde peut-être sonore, électromagnétique, gravitationnel, surfacique, etc. Elle est caractérisée par sa vitesse de propagation, sa longueur et la fréquence de changement (si une des trois valeurs est connue, l’onde est définie). Pour les ondes électromagnétiques la vitesse de leur propagation est celle de la lumière, alors que pour les ondes sonores c’est nettement plus lent.

Pour revenir à nos merveilleux et si précieux capteurs d’ondes électromagnétiques que sont nos yeux, si la variation, la fréquence de l’onde électromagnétiques, est dans la fourchette de 400 THz à 770 THz on capte, au-dessus et au-dessous on capte pas ! Voici un petit tableau qui présente les ondes électromagnétiques.

tableau des ondes électromagnétiques


Conclusion

J’espère que vous avez maintenant une meilleure idée de ce que sont ces champs électriques, électrostatiques, magnétiques et donc également les champs électromagnétiques ainsi que la relation avec les ondes de même nom. De plus maintenant que vous avez vos yeux ouverts (vous lisez !!) vous “regarderez” différemment votre Wifi, radio, smartphone, TV, ….  qui communiquent comme vous en fin compte !