L’énergie électromagnétique est connue de la plupart des gens sous le nom de lumière et de chaleur, mais elle peut prendre de nombreuses autres formes, telles que les ondes radio et les rayons X. Ce sont tous les types de rayonnement provenant de la force électromagnétique, qui est responsable de tous les phénomènes électriques et magnétiques. Le rayonnement se déplace à la vitesse de la lumière d’une manière ressemblant à des ondes.
Contrairement aux ondes sonores, les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de milieu à travers lequel se déplacer et peuvent voyager dans l’espace vide. La longueur de l’onde peut varier de centaines de mètres (mètres) à des échelles subatomiques. La gamme complète des longueurs d’onde est connue sous le nom de spectre électromagnétique, dont la lumière visible ne constitue qu’une petite partie. Malgré le caractère ondulatoire observé du rayonnement électromagnétique (EMR), il peut également se comporter comme s’il était composé de minuscules particules, appelées photons.
Lumière, électricité et magnétisme
Le lien entre la lumière et l’électromagnétisme a été révélé au XIXe siècle par les travaux du physicien James Clerk Maxwell sur les champs électriques et magnétiques. En utilisant des équations qu’il a développées, il a découvert que la vitesse à laquelle les champs se déplacent dans l’espace était exactement la vitesse de la lumière et a conclu que la lumière était une perturbation de ces champs, se déplaçant sous la forme d’ondes. Ses équations ont également montré que d’autres formes d’EMR avec des longueurs d’onde plus longues et plus courtes étaient possibles ; ceux-ci ont été identifiés plus tard. Les découvertes de Maxwell ont donné lieu à l’étude de l’électrodynamique, selon laquelle le REM consiste à faire osciller des champs électriques et magnétiques à angle droit les uns par rapport aux autres et à la direction du mouvement. Cela expliquait la nature ondulatoire de la lumière, comme observé dans de nombreuses expériences.
Longueur d’onde, fréquence et énergie
Le rayonnement électromagnétique peut être décrit en termes de sa longueur d’onde – la distance entre les crêtes des vagues – ou sa fréquence – le nombre de crêtes qui passent par un point fixe pendant un intervalle de temps fixe. Lorsqu’il se déplace dans le vide, l’EMR se déplace toujours à la vitesse de la lumière ; par conséquent, la vitesse à laquelle les crêtes se déplacent ne varie pas et la fréquence ne dépend que de la longueur de l’onde. Une longueur d’onde plus courte indique une fréquence plus élevée et une énergie plus élevée. Cela signifie que les rayons gamma de haute énergie ne voyagent pas plus vite que les ondes radio de basse énergie ; au lieu de cela, ils ont des longueurs d’onde beaucoup plus courtes et des fréquences beaucoup plus élevées.
La dualité onde-particule
L’électrodynamique a très bien réussi à décrire l’énergie électromagnétique en termes de champs et d’ondes, mais au début du 20e siècle, l’étude d’Albert Einstein sur l’effet photoélectrique, dans lequel la lumière déloge les électrons d’une surface métallique, a soulevé un problème. Il a découvert que l’énergie des électrons dépendait entièrement de la fréquence, et non de l’intensité, de la lumière. Une augmentation de la fréquence a produit des électrons d’énergie plus élevée, mais une augmentation de la luminosité n’a fait aucune différence. Les résultats ne pouvaient être expliqués que si la lumière était constituée de particules discrètes – plus tard appelées photons – qui transféraient leur énergie aux électrons. Cela a créé une énigme : observé à grande échelle, l’EMR se comporte comme des ondes, mais ses interactions avec la matière aux plus petites échelles ne peuvent s’expliquer qu’en termes de particules.
C’est ce qu’on appelle la dualité onde-particule. Il a émergé pendant le développement de la théorie quantique et s’applique à tout à l’échelle subatomique ; les électrons, par exemple, peuvent se comporter aussi bien comme des ondes que comme des particules. Il n’y a pas de consensus général parmi les scientifiques sur ce que signifie réellement cette dualité sur la nature de l’énergie électromagnétique.
Électrodynamique quantique
Une nouvelle théorie, connue sous le nom d’électrodynamique quantique (QED), a finalement émergé pour expliquer le comportement de type particule de l’EMR. Selon QED, les photons sont les particules qui transportent la force électromagnétique, et les interactions des objets chargés électriquement sont expliquées en termes de production et d’absorption de ces particules, qui elles-mêmes ne portent aucune charge. La QED est considérée comme l’une des théories les plus réussies jamais développées.
Comment l’énergie électromagnétique est produite
L’électrodynamique classique a décrit la production d’EMR en termes de mouvement de charges électriques, mais une explication plus moderne – en ligne avec la théorie quantique – est basée sur l’idée que les particules subatomiques dont la matière est composée ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie fixes. Le rayonnement électromagnétique est libéré par le passage d’un état énergétique supérieur à un état énergétique inférieur. Laissée à elle-même, la matière tentera toujours d’atteindre son plus bas niveau d’énergie.
L’EMR peut être produit lorsque la matière absorbe temporairement de l’énergie – par exemple, lorsqu’elle est chauffée – puis la libère pour chuter à un niveau inférieur. Un état d’énergie plus faible peut également être atteint lorsque des atomes ou des molécules se combinent les uns aux autres dans une réaction chimique. La combustion est un exemple familier : typiquement, une molécule se combine avec l’oxygène de l’air, formant des produits qui ont collectivement moins d’énergie que la molécule d’origine. Cela provoque la libération d’énergie électromagnétique sous forme de flamme.
Dans le noyau du Soleil, quatre noyaux d’hydrogène se combinent, dans une série d’étapes, pour former un noyau d’hélium qui a un peu moins de masse, et donc moins d’énergie. Ce processus est connu sous le nom de fusion nucléaire. L’excès d’énergie est libéré sous forme de rayons gamma à haute fréquence qui sont absorbés par la matière plus loin, qui émet ensuite cette énergie, principalement sous forme de lumière visible et de chaleur.
Énergie électromagnétique, vie et technologie
L’énergie du Soleil est cruciale pour la vie sur Terre. La lumière du soleil chauffe la surface de la Terre, qui à son tour chauffe l’atmosphère, maintenant des températures propices à la vie et entraînant les systèmes météorologiques de la planète. Les plantes utilisent l’énergie électromagnétique du Soleil pour la photosynthèse, la méthode par laquelle elles produisent de la nourriture. L’énergie solaire est convertie en énergie chimique qui alimente les processus qui permettent aux plantes de fabriquer le glucose dont elles ont besoin pour survivre à partir du dioxyde de carbone et de l’eau. Le sous-produit de cette réaction est l’oxygène, la photosynthèse est donc responsable du maintien des niveaux d’oxygène de la planète.
La plupart des formes de technologie reposent en grande partie sur l’énergie électromagnétique. La révolution industrielle a été alimentée par la chaleur générée par la combustion de combustibles fossiles, et plus récemment, le rayonnement solaire a été utilisé directement pour fournir une énergie propre et renouvelable. Les communications modernes, la radiodiffusion et Internet dépendent fortement des ondes radio et de la lumière acheminée par les câbles à fibres optiques. La technologie laser utilise la lumière pour lire et écrire sur des CD et des DVD. La plupart des connaissances scientifiques sur l’univers proviennent de l’analyse des rayonnements électromagnétiques de diverses longueurs d’onde d’étoiles et de galaxies lointaines.
Effets sur la santé
Les EMR à haute fréquence, tels que les rayons gamma, les rayons X et la lumière ultraviolette, transportent suffisamment d’énergie pour provoquer des changements chimiques dans les molécules biologiques. Il peut rompre les liaisons chimiques ou éliminer les électrons des atomes, formant des ions. Cela peut endommager les cellules et altérer l’ADN, augmentant le risque de cancer. Des inquiétudes ont également été exprimées au sujet des effets sur la santé des DME à basse fréquence, tels que les ondes radio et les micro-ondes utilisées par les téléphones portables et autres appareils de communication. Bien que ces formes de rayonnement semblent n’avoir aucun effet direct sur la chimie de la vie, elles peuvent provoquer un échauffement des tissus dans des zones localisées avec une exposition prolongée. Jusqu’à présent, il ne semble pas y avoir de preuve concluante que cela puisse rendre les gens malades.