Champ électromagnétique - Définition et Explications

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Introduction

Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force électromagnétique qu'exercent des particules chargées. Concept important de l'électromagnétisme, ce champ représente l'ensemble des composantes de la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Lorsque l'on tient compte de la mécanique quantique la force électromagnétique...) s'appliquant sur une particule chargée se déplaçant dans un référentiel galiléen (En physique, un référentiel galiléen est un référentiel dans lequel un objet isolé (sur lequel ne s'exerce aucune force ou sur lequel la résultante des forces est nulle) est soit...).

Orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) d'un solénoïde mobile en fonction du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une...)

Une particule de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) q et de vitesse (On distingue :) v subit une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent...) qui s'exprime par :

\vec{F} = q \; (\vec{E} + \vec{v} \and \vec{B})

\vec{E} est le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) et \vec{B} est le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de...). Le champ électromagnétique est l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) (\vec{E},\ \vec{B}).

Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électromagnétique est en effet la composition de deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment. Néanmoins ces deux entités sont indissociables :

  • la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) en composante magnétique et électrique n'est qu'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) dépendant du référentiel d'étude,
  • les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de...) régissant les deux composantes électrique et magnétique sont couplées, si bien que toute variation de l'un induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) une variation de l'autre.

Le comportement des champs électromagnétiques est décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme...).

La façon la plus générale de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur (Tenseur) électromagnétique de la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein en 1905 en vue de tirer toutes les conséquences physiques de la relativité galiléenne et du principe que la vitesse de la...).

Transformation galiléenne du champ électromagnétique

La valeur attribuée à chacune des composantes électrique et magnétique du champ électromagnétique dépend du référentiel d'étude. En effet on considère généralement en régime statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) que le champ électrique est créé par des charges au repos tandis que le champ magnétique est créé par des charges en mouvement (courants électriques). Néanmoins la notion de repos et de mouvement est relative au référentiel d'étude.

Dans le cadre de la relativité galiléenne, si on considère deux référentiels d'étude galiléens (R) et (R'), avec (R') et en mouvement rectiligne uniforme de vitesse V par rapport à (R), et si on appelle v' la vitesse d'une charge q dans (R'), sa vitesse dans (R) est v = v' + V.

Si on appelle (E, B) et (E', B') les composantes du champ électromagnétique respectivement dans (R) et dans (R'), l'expression de la force électromagnétique devant être identique dans les deux référentiels on obtient la transformation des champs électromagnétiques grâce à :

q [\vec E + (\vec {v'} + \vec V) \and \vec B] = q (\vec{E'} + \vec{v'} \and \vec{B'})

Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :

et \vec{E'} = \vec E + \vec V \and \vec B

Intensité et puissance

L’intensité d’un champ peut être exprimée à l’aide de différentes unités :

  • pour le champ électrique, le volt par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la...) (V/m)
  • pour le champ magnétique, l’ampère par mètre (A/m) ou le tesla (T) (1 A/m = 1,27 µT)
  • Selon le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) d’exposition, en densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) surfacique de puissance (DSP, en W/m2). La DSP est proportionnelle au produit du champ électrique par le champ magnétique : DSP = E x H = E² / 377 = 377 x H², ou encore : E = Racine (377 x DSP)
  • La puissance globale contenue dans un champ électromagnétique peut aussi s’exprimer en watts (W).

Fréquence

La fréquence d’un champ électromagnétique est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de variations du champ par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est...). Elle s’exprime en hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde...) (Hz) ou cycles par seconde, et s’étend de zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...) à l’infini. Une classification simplifiée des fréquences est présentée ci-après, et quelques exemples d’applications dans chaque gamme sont indiqués.

Fréquence Gamme Exemples d’applications
0 Hz Champs statiques Electricité statique
50 Hz Extrêmement basses fréquences (ELF) Lignes électriques et courant domestique
20 kHz Fréquences intermédiaires Écrans vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...), plaques à inductions culinaires
88 – 107 MHz Radiofréquences Radiodiffusion FM
300 MHz – 3 GHz Radiofréquences micro-ondes Téléphonie mobile (La téléphonie mobile désigne toute l'infrastructure de télécommunication permettant d'utiliser des téléphones portables (que l'on appelle également téléphone mobile,...)
400 – 800 MHz Téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) (Radiocom 2000), télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites...)
900 MHz et 1800 MHz GSM (standard européen)
1900 MHz – 2,2 GHz UMTS
2400 MHz - 2483.5 MHz four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et...) à micro-ondes, WIFI, Bluetooth (Bluetooth est une spécification de l'industrie des télécommunications. Elle utilise une technique radio courte distance destinée à simplifier les connexions entre les appareils électroniques. Elle a...)
3 – 100 GHz Radars Radars
375 – 750 THz Visible Lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...), lasers
750 THz — 30 PHz Ultra-violets Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...), photothérapie
30 PHz — 30 EHz Rayons X Radiologie
30 EHz et plus Rayons gamma Physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :)

Les rayonnements X et gamma peuvent rompre les liaisons moléculaires et être à l'origine d'ionisations, facteur cancérigène.

Les rayonnements ultra-violets, visibles et infra-rouges peuvent modifier les niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) au niveau des liaisons au sein des molécules.

Les radiofréquences n’ont pas suffisamment d’énergie pour perturber les liaisons moléculaires.

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