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Identifier un domaine spectral

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Objectifs
  • Utiliser une échelle de fréquences ou de longueurs d’onde pour identifier un domaine spectral.
  • Citer l’ordre de grandeur des fréquences ou des longueurs d’onde des ondes électromagnétiques utilisées dans divers domaines d’application (imagerie médicale, optique visible, signaux wifi, microondes, etc.).
Points clés
  • Les ondes électromagnétiques comprennent un vaste domaine de longueurs d’onde. Toutes se propagent dans le vide avec une célérité d’environ 3,00 × 108 m·s−1.
  • Par longueur d’onde croissante, nous avons : les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, le visible, les infrarouges, les microondes et les ondes radio.
  • Le visible ne concerne qu’une infime partie du spectre électromagnétique, sa gamme de longueurs d’onde est entre 400 et 800 nanomètres.
Pour bien comprendre
  • Dispersion
  • Spectre
  • Longueur d'onde
  • Onde électromagnétique

Le soleil émet des ondes électromagnétiques. Nous allons étudier les caractéristiques de ces ondes et leur domaine spectral.

1. Les ondes électromagnétiques
a. La vitesse des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans des milieux transparents, comme l’air ou le vide. Toutes les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide avec la même célérité, de valeur c = 3,00 × 108 m·s−1.

Remarque
L’onde électromagnétique résulte d’un champ électrique et d’un champ magnétique, comme son nom l’indique.
b. Longueur d'onde et fréquence

On rencontre différents types d’ondes électromagnétiques, qui ont des propriétés très différentes. On peut les trier selon leur fréquence f ou leur longueur d’onde λ.

Ces grandeurs sont liées par la relation suivante.

avec :
  • λ la longueur d’onde, en mètre (m)
  • c la célérité, c = 3,00 × 108 m·s−1
  • T la période, en seconde (s)
  • f la fréquence, en Hertz (Hz) (ou s−1)
Remarque
La longueur d’onde et la fréquence sont inversement proportionnelles.
c. Le spectre des ondes électromagnétiques

Le spectre des ondes électromagnétiques se présente sous la forme suivante.


Spectre des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques sont composées de 7 domaines différents qui s’étendent des rayons γ aux ondes radio.

La fréquence f et la longueur d’onde λ sont inversement proportionnelles, les radiations qui possèdent les fréquences les plus élevées correspondent donc à celles qui possèdent les longueurs d’onde les plus courtes.

Les rayons γ possèdent ainsi la plus petite longueur d’onde mais la plus grande fréquence.

2. L'étude des différents domaines électromagnétiques
a. Le visible

Le visible ne constitue qu’une infime partie des radiations possibles.

ll est possible de retrouver le spectre obtenu en décomposant la lumière blanche avec un prisme, ou lors d’un arc-en-ciel.


Décomposition d’une lumière blanche par un prisme

Spectre de la lumière blanche

Le visible se situe environ entre 400 et 800 nm : il s’étend du violet au rouge.

b. Les ultraviolets

Comme leur nom l’indique, les ultraviolets sont les rayonnements « juste après » le violet dans le spectre, orientés dans le sens de la fréquence.

Ils se décomposent en 3 parties : UVA, UVB et UVC.

  • Les UVA et UVB sont responsables du bronzage et des « coups de soleil ».
  • Les UVC sont très dangereux, ils sont stoppés par la couche d’ozone. On les utilise en médecine pour stériliser le matériel médical.
c. Les rayons X

Les rayons X sont plus pénétrants (et donc plus dangereux) que les ultraviolets car ils possèdent une fréquence plus élevée.

Comme ils sont absorbés de manière très différente par les tissus du corps humain, ils sont employés en imagerie médicale pour les radios mais aussi dans les aéroports, afin de détecter la présence d’objets suspects dans les valises.

Détection des objets par rayons X
d. Les rayons gamma

Les rayonnements gamma (γ) pénètrent encore plus la matière (donc encore plus dangereux) que les rayons X. Ils sont produits lors de réactions ou de désintégrations nucléaires.

Ils possèdent une fréquence supérieure à 3 × 1019 Hz.

e. Les infrarouges (IR)

Sur le spectre du visible orienté en fréquence, les infrarouges (IR) se trouvent « juste avant » le rouge.

Les IR sont associés au rayonnement thermique des corps non portés à incandescence. Cette technologie présente des applications civiles, comme :
  • l’imagerie thermique dite « thermographie infrarouge » d’une maison pour tester son isolation ;
  • l’imagerie médicale ;
  • le guidage de missiles ou la vision nocturne.

Thermographie IR
f. Les microondes

Les microondes sont des ondes de longueurs d’onde plus grandes que les IR.

Les microondes ont donné leur nom au four employé en cuisine pour chauffer des aliments. Elles présentent aussi d’autres applications dans le domaine des télécommunications.
g. Les ondes radio

Les ondes radio concernent les ondes électromagnétiques en dessous de 3 GHz (3 × 109 Hz), domaine de fréquence les plus basses.

Les applications des ondes radio concernent les domaines :
  • des télécommunications, des émissions radio, la télévision, la téléphonie ;
  • des signaux des GPS ;
  • des radars.

Antenne de téléphonie

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