📡 L'onde électromagnétique plane
La lumière, le Wi-Fi, les rayons X et la radio sont la même chose : une onde électromagnétique, un champ électrique et un champ magnétique qui se relaient en filant à 300 000 km/s. Fais tourner l'onde dans l'espace, déphase ses deux composantes pour faire tourner le champ en cercle ou en ellipse, et promène-toi des rayons gamma jusqu'aux grandes ondes.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- E (en orange) et B (en bleu, dessiné multiplié par c) sont toujours perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation z : l'onde est transverse.
- E et B s'annulent et sont maximaux aux mêmes endroits, au même instant : ils sont en phase, et E/B vaut toujours c.
- Dans le plan d'onde, l'extrémité de E décrit un segment (polarisation rectiligne), un cercle ou une ellipse selon les amplitudes E0x, E0y et le déphasage φ. La traînée de points montre le sens de rotation.
- Le vecteur de Poynting Π (en vert) pointe toujours dans le sens de propagation : l'énergie avance avec l'onde. En polarisation rectiligne il pulse au double de la fréquence de l'onde ; en polarisation circulaire, il reste constant.
- Simplifications : le dessin montre toujours deux longueurs d'onde, quelle que soit λ, et le temps est énormément ralenti (la vraie fréquence f = c/λ est affichée).
Expériences à faire
- Avec E0x = E0y, fais varier φ de 0° à 180° : par quelles polarisations passes-tu ?
- Garde φ = 90° mais prends E0y = E0x/2 : le cercle devient-il une ellipse ? Dans quel sens tourne E ?
- Double l'amplitude du champ électrique : par combien est multipliée la puissance surfacique moyenne ⟨Π⟩ ?
- Passe des ondes radio aux rayons gamma : que deviennent la fréquence et l'énergie d'un photon ? Le dessin de l'onde change-t-il ?
- Tape ta propre longueur d'onde dans « ✏️ Ma longueur d'onde » (632,8 nm pour un laser hélium-néon, 21 cm pour la raie de l'hydrogène…) : quelle est sa fréquence ? Dans quel domaine est-elle ?
La physique derrière l'animation
- Onde plane progressive harmonique dans le vide : E = E0x cos(ωt − kz) ux + E0y cos(ωt − kz − φ) uy, avec k = ω/c et λ = c/f.
- Les équations de Maxwell donnent la structure de l'onde : B = (uz ∧ E)/c, donc (uz, E, B) forment un trièdre direct et E = c·B, avec c = 1/√(ε0μ0) = 2,998 × 108 m/s.
- Vecteur de Poynting : Π = E ∧ B/μ0 = (E²/μ0c) uz ; puissance surfacique moyenne ⟨Π⟩ = (E0x² + E0y²)/(2μ0c), en W/m².
- Polarisation : rectiligne si φ = 0 ou π (ou si une composante est nulle), circulaire si E0x = E0y et φ = ±π/2, elliptique sinon. Pour l'observateur qui reçoit l'onde, E tourne dans le sens trigonométrique (polarisation gauche) quand sin φ > 0.
- Spectre : rayons γ (λ < 10 pm), X, ultraviolet, visible (380 à 780 nm), infrarouge, micro-ondes (1 mm à 1 m), ondes radio. Chaque photon transporte l'énergie E = hf = hc/λ.
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