Questions conceptuels sur les ondes électromagnétiques

[arbolis87]

Je viens de finir mon cours d'électromagnétique et je dois avouer que je n'ai pas bien compris ce que sont les ondes électromagnétiques.

Ce que j'ai "compris" ou ce que je crois avoir compris, c'est que des ondes électromagnétiques sont produites lors de champs électriques alternatifs. Par exemple si je remplace un électron par un proton et que je remplace ce proton par un électron et ainsi de suite, une onde électromagnétique continue est crée. (Je me rends compte que ca n'a pas de sens de remplacer des particules de telle sorte).
Aussi, comment est-ce possible de créer une onde électromagnétique continue? C'est-a-dire un seul photon tres "long".
Autre question, qu'est-ce exactement qu'une onde électromagnétique? Selon mon cours, c'est une onde électrique dans un plan disons x-y et magnétique dans un plan perpendiculaire a x-y. Mais qu'est-ce qu'une onde électrique? Pourquoi n'est-elle pas déviée dans un champ électrique/magnétique?

Merci infiniment pour les clarifications.
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[S321]

Bonjour

Aussi, comment est-ce possible de créer une onde électromagnétique continue? C'est-a-dire un seul photon tres "long".

La lumière à une double nature d'onde et de corpuscule, mais les deux ne se mélangent pas n'importe comment non plus.
Vous ne pouvez pas avoir une onde continue avec une vision corpusculaire, c'est le principe même de la quantification de la lumière, elle est discrète. En pratique si vous créez une onde "continue", vous enverrez des photons à la queue-leu-leu.

J'ai bien peur que dans votre cour vous n'ayez vu que les ondes planes progressives monochromatique polarisée rectilignement et que vous fassiez l'amalgame avec tous les types d'ondes EM. Il s'agit en fait d'un type très particulier d'onde (qui permet d'en construire beaucoup d'autres par linéarité du problème).

Une onde EM c'est la propagation spatiale d'une variation des champs électriques et magnétiques. Elle n'est pas modifiée par la présence d'un champ EM constant car elle est par nature une variation de ce champ. Un champ constant n'a aucun effet sur lui-même.

La nature et les effets de ces champs devraient vous être familiers, ne serait ce que de par ce que vous en avez vu en électrostatique et en magnétostatique.

[invitea774bcd7]

Aussi, comment est-ce possible de créer une onde électromagnétique continue? C'est-a-dire un seul photon tres "long".

Non, il n'y a pas qu'un seul photon dans une onde EM. Loin de là
Une onde EM continue, c'est un flux continu de milliards de milliards de photon par seconde…

[LPFR]

Bonjour.
Les questions d'Arbolis illustrent, malheureusement, les défauts de la présentation des ondes électromagnétiques dans l'enseignement.
Je suis d'accord avec les observations de S321 à propos de la séparation entre le modèle ondulatoire et les modèle corpusculaire et surtout sur le fait qu'il ne faut pas les mélanger: c'est l'un ou c'est l'autre.

Je voudrais ajouter qu'on ne peut pas fabriquer une onde continue en remplaçant alternativement une charge positive par une charge négative: ce n'est pas faisable.
La façon de faire une onde continue est de faire passer un courant alternatif dans un conducteur. Un peu comme le courant de 50 Hz qui allume une lampe. Seulement qu'en pratique, le rayonnement à basse fréquence est beaucoup trop faible et qu'il faut utiliser des fréquences au moins mille fois plus élevées.

Une autre observation concerne la phrase disant qu'une onde EM est formée d'une onde électrique plus une onde magnétique. NON! On ne peut pas avoir une onde électrique seule, pas plus qu'une onde magnétique seule. On ne peut avoir qu'une onde électromagnétique, avec les deux champs qui se créent l'un à l'autre.
Malheureusement, j'ai déjà lu la même phrase dans ce forum, ce qui veut dire qu'elle est enseignée.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[gatsu]

Salut,

Une autre observation concerne la phrase disant qu'une onde EM est formée d'une onde électrique plus une onde magnétique. NON!

Je suis désolé mais lorsqu'on dit "electrique plus magnétique" ça n'implique pas que l'un puisse exister sans l'autre mais plutot que l'un peut être considéré sans l'autre, ce qui n'est pas la même chose. Il faut arreter un peu cette gueguerre contre l'ensignement actuel qui n'est soit disant jamais aussi bon que celui que tu dispenses ou pourrais dispenser.

[arbolis87]

En fait le prof a expliqué un exemple de création d'onde EM, mais je n'ai pas bien compris. Il me semble qu'a l'université c'est bien a l'étudiant (moi) de faire l'effort de comprendre, de chercher dans les livres, etc. Mon prof a fait son boulot. Je crois etre un peu lent pour comprendre certaines choses et les ondes EM font partie de ces choses.
Avez-vous des livres sur une introduction a l'électromagnétisme a conseiller? J'utilise le livre de Purcell (Berkeley Physics course) et j'aimerais bien en connaitre d'autres.
Merci encore.

[LPFR]

Bonjour.
Le travail d'un prof est de faire comprendre.
Si non c'est demander aux étudiants d'être autodidactes.
Je vous conseille le cours de physique de Feynman, Leighton et Sands: celui-ci et tous les autres tomes du cours.
Au revoir.

[arbolis87]

Bonjour.
Le travail d'un prof est de faire comprendre.
Si non c'est demander aux étudiants d'être autodidactes.
Je vous conseille le cours de physique de Feynman, Leighton et Sands: celui-ci et tous les autres tomes du cours.
Au revoir.

Ok merci beaucoup.

[mariposa]

B

Une autre observation concerne la phrase disant qu'une onde EM est formée d'une onde électrique plus une onde magnétique. NON! On ne peut pas avoir une onde électrique seule, pas plus qu'une onde magnétique seule. On ne peut avoir qu'une onde électromagnétique, avec les deux champs qui se créent l'un à l'autre.
Malheureusement, j'ai déjà lu la même phrase dans ce forum, ce qui veut dire qu'elle est enseignée.
Au revoir.

Il y a beaucoup de précaution de langage à prendre.

Dans un cadre de formation BAC + 4 on explique que le champ électromagnétique est un vecteur a 6 composantes qui, est un tenseur antisymétrique.


Pour une onde plane il n'y a pas de composantes longitudinales et donc le champ électromagnétique comportent 4 composantes (les 2 autres étant nulles). soit V le vecteur électromagnétique a 4 composantes.

Le passage de t= 0 à un instant "t" ultérieur est représentée par une matrice non diagonale. on a donc:

V(t) = A(t-t0).V(0)

V est un vecteur à 4 composantes et A une matrice 4*4. Celle-ci décrit le fait que le champ électrique et le champ magnétique apparaissent comme des sources respectives, ce pourquoi la matrice est non diagonale.

Bien entendu Lorsque t-t0 = n.T alors A= I

T est la période et I la matrice unité.


Par ailleurs une onde de densité de charge (CDW) est une onde électrique longitudinale

[gatsu]

En fait le prof a expliqué un exemple de création d'onde EM, mais je n'ai pas bien compris. Il me semble qu'a l'université c'est bien a l'étudiant (moi) de faire l'effort de comprendre

Une compréhension résulte toujours d'un effort plus ou moins important intellectuellement. Le role du prof est d'une part d'essayer de minimiser cet effort pour le plus grand nombre via un cours adapté à l'auditoire et d'autre part d'aider dans leur effort les étudiants désireux de comprendre en répondant à toutes leurs questions sur le sujet concerné.

[LPFR]

Bonjour Mariposa.
Relisez à nouveau la question d'Arbolis.
Pensez-vous que votre réponse est adaptée au niveau de sa question?
Elle est équivalente à lui répondre: "Laissez tomber, vous n'êtes pas en état de comprendre".

Je pense que le métier d'un enseignant est d'adapter la réponse au niveau de la personne qui pose la question de sorte qu'elle comprenne. Mais c'est seulement mon point de vue.

Pour ce qui est de CDW et de l'onde linéaire, je copie ici le début de la page de wikipedia:

Spin-density wave (SDW) and charge-density wave (CDW) are names for two similar low-energy ordered states of solids. Both these states occur at low temperature in anisotropic, low-dimensional materials or in metals that have high densities of states at the Fermi level N(EF). Other low-temperature ground states that occur in such materials are superconductivity, ferromagnetism and antiferromagnetism. The transition to the ordered states is driven by the condensation energy which is approximately N(EF)Δ where Δ is the magnitude of the energy gap opened by the transition. Note that SDWs are distinct from spin waves, which are an excitation mode of ferromagnets and antiferromagnets.

Vous pouvez appeler ça "onde électrique" si ça vous chante.

Ce que j'ai dit, et j'insiste, est que vous ne pouvez pas avoir une onde uniquement électrique pas plus qu'une onde uniquement magnétique. Et c'est simple à prouver (et ceci à l'intention d'Arbolis) car toute variation temporaire d'un des deux champs crée l'autre champ. Ou, comme dit Maxwell:

Et la réciproque:

Au revoir.

[jpu017]

Bonjour à toutes et à tous

Ce fil m'intéresse, comme vous le comprendrez aisément en regardant mes deux derniers : je cherche des ouvrages pour me mettre "vraiment" à la physique (et accessoirement aux maths nécessaires).
Certains contributeurs ont déjà fort civilement répondu à ma demande, qu'ils soient à nouveau remerciés.
Mais je vois ici que l'un d'entre vous (LPFR) recommande le Feynman.
Ma question est : comment se positionne cet ouvrage par rapport aux autres qui m'ont été recommandés ? Plus "hard" ? Moins ?
Merci par avance

En attendant et pour éviter le total HS : ce qui m'a toujours fasciné dans l'électromagnétisme, ce qu'on ait renoncé (pour de bon semble-t-il) à lui trouver un milieu support (le fameux éther).

[mariposa]

Bonjour Mariposa.
Relisez à nouveau la question d'Arbolis.
Pensez-vous que votre réponse est adaptée au niveau de sa question?

Non elle n'est pas adaptée à Arbolis, mais c'est à toi que je m'adressais.

Elle est équivalente à lui répondre: "Laissez tomber, vous n'êtes pas en état de comprendre".

J'ai réagit par rapport à ton affirmation qui parait juste à priori, mais qui est fausse. Le champ électromagnétique est bel et bien composé d' un vecteur champ électrique ET d'un vecteur champ magnétique. Cela est compréhensible au niveau BAC + 1. J'ai fait seulement référence au tenseur électromagnétique pour mettre le problème en relief l'origine (j'ai arbitrairement classé cette explication en BAC +4)

]
Je pense que le métier d'un enseignant est d'adapter la réponse au niveau de la personne qui pose la question de sorte qu'elle comprenne. Mais c'est seulement mon point de vue.

Je suis en parfait accord avec cela. La pédagogie c'est effectivement s'adapter au niveau de l'interlocuteur. C'est ce que tu fais (bien) et c'est également ce que fais.

Pour ce qui est de CDW et de l'onde linéaire, je copie ici le début de la page de wikipedia:

Spin-density wave (SDW) and charge-density wave (CDW) are names for two similar low-energy ordered states of solids. Both these states occur at low temperature in anisotropic, low-dimensional materials or in metals that have high densities of states at the Fermi level N(EF). Other low-temperature ground states that occur in such materials are superconductivity, ferromagnetism and antiferromagnetism. The transition to the ordered states is driven by the condensation energy which is approximately N(EF)Δ where Δ is the magnitude of the energy gap opened by the transition. Note that SDWs are distinct from spin waves, which are an excitation mode of ferromagnets and antiferromagnets.

Vous pouvez appeler ça "onde électrique" si ça vous chante.

Ce que j'ai dit, et j'insiste, est que vous ne pouvez pas avoir une onde uniquement électrique pas plus qu'une onde uniquement magnétique. Et c'est simple à prouver (et ceci à l'intention d'Arbolis) car toute variation temporaire d'un des deux champs crée l'autre champ. Ou, comme dit Maxwell:

Et la réciproque:

Au revoir.

Il s'agit d'une onde longitudinale qui ne peut pas apparaitre dans les équations de Maxwell dans le vide puisque celles-ci les ondes sont toujours transversales.

[LPFR]

J'ai réagit par rapport à ton affirmation qui parait juste à priori, mais qui est fausse. Le champ électromagnétique est bel et bien composé d' un vecteur champ électrique ET d'un vecteur champ magnétique. Cela est compréhensible au niveau BAC + 1. J'ai fait seulement référence au tenseur électromagnétique pour mettre le problème en relief l'origine (j'ai arbitrairement classé cette explication en BAC +4)

Re.
J'espère que vous savez faire la différence entre un vecteur et une onde.
Car quand je dis qu'il ne peut pas avoir des ondes seulement électriques ou seulement magnétiques séparément. Je ne dis pas qu'il ne peut pas avoir les deux vecteurs ensemble ou séparément.
Pour rappel, voici la partie que vous aviez cité:

Une autre observation concerne la phrase disant qu'une onde EM est formée d'une onde électrique plus une onde magnétique. NON! On ne peut pas avoir une onde électrique seule, pas plus qu'une onde magnétique seule. On ne peut avoir qu'une onde électromagnétique, avec les deux champs qui se créent l'un à l'autre.
Malheureusement, j'ai déjà lu la même phrase dans ce forum, ce qui veut dire qu'elle est enseignée.
Au revoir.

Il ne faut pas déformer les affirmation des autres.
A+

[invité576543]

Ou, comme dit Maxwell:

Et la réciproque:

Sans que cela change quoi que ce soit au fond de votre intervention (avec laquelle je suis d'accord), il y a une erreur dans la formulation des équations qui rend incompréhensible le point pour quelqu'un qui ne sait pas rectifier; faut permuter un B et un E.

Cordialement,

[LPFR]

Bonjour Michel.
Merci de le signaler. Effectivement, c'est le type d'erreur typique quand on fait des copier-coller (et qu'on n'a pas les yeux en face des trous).
Voici la même chose avec la bêtise en moins:

Et la réciproque:


Cordialement,

[mariposa]

Re.
J'espère que vous savez faire la différence entre un vecteur et une onde.
Car quand je dis qu'il ne peut pas avoir des ondes seulement électriques ou seulement magnétiques séparément. Je ne dis pas qu'il ne peut pas avoir les deux vecteurs ensemble ou séparément.
Pour rappel, voici la partie que vous aviez cité:


Il ne faut pas déformer les affirmation des autres.
A+

OK,

J'ai commencé mon intervention par:

Il y a beaucoup de précautions de langage à prendre.

Ma réaction porte sur le début de ta phrase:

Une autre observation concerne la phrase disant qu'une onde EM est formée d'une onde électrique plus une onde magnétique. NON!....

c'est pourquoi j'ai réagit car ce début de phrase est plus ambigue car il est tout à fait correcte de dire qu'une onde électromagnétique c'est le résultat du couplage entre une onde purement électrique et une onde purement magnétique. C'est ce qui est écrit dans les équations.

Donc je peux écrire OUI là ou tu as écris NON.

Il est entendu que l'on discute ici uniquement sur le plan pédagogique et donc du langage.


D'ailleurs cette objection pédagogique ramène à la façon générale du manque de présentation homogène des formulations dans les différents secteurs de la physique.

Si on se forçait de présenter toutes les équations d'évolution de la physique sous formes d'équations différentielles linéaires ou EDP de la même façon (avec la source ou la cause dans les membres de droite) )on y gagnerait en efficacité.

Par exemple on écrit:

F = m. dv/dt

Ce serait mieux d'écrire:

dv/dt = 1/m.F

dx/dt = v

On note que F est à droite.

Dans la deuxième version apparemment plus déployée montre qu'il s'agit d'un système de 2 équations linéaires couplées que tout le monde sait résoudre.

Quand on donne à résoudre l'équation de schrodinger sur un exemple concret les gens ont énormément de difficulté à résoudre le problème alors que c'est la même méthode mathématique (seule la dimension de l'espace vectoriel change).


Pour la propagation d'une onde électromagnétique, c'est la même chose. On a au plus 6 composantes du champ et donc 6 EDP couplées et la méthode générale (comme Newton, comme Schrodinger) permet de traiter la propagation de la lumière dans un milieu linéaire homogène (mais anisotrope).

D'où l'intérêt pédagogique de souligner qu'une onde électromagnétique dans le vide possède 4 composantes.

En tous cas sache que j'apprécie beaucoup les multiples interventions diverses et variées.

A+

[calculair]

Bonjour

Je te comprends bien mariposa, c'est que tu veux dire c'est que la presentation, ou la formulation des lois physiques devrait être plus homogène.

Je reconnais que cela permettrait de decliner les lois plus vite
Exemple
F = m dv/dt et e = -L di/dt c'est la même chose

en effet
F V dt = m dV/dt * Vdt ===> E = 1/2 mV² et

e i dt = - L di/dt *i dt =====> Energie electrique = - 1/2 Li²

Je crois que l'on gagne sur la manipulation des concepts mathématiques, mais on perd sur la realité physique des phenomènes, aux risques de faire des erreurs.

[mariposa]

Je crois que l'on gagne sur la manipulation des concepts mathématiques, mais on perd sur la realité physique des phenomènes, aux risques de faire des erreurs.

Bonjour,


Ce serait plutôt le contraire.

Pour m'inspirer de ton exemple, tu peux rapprocher:

E= 1/2.m.v2 + 1/2k.x2

de

E= 1/2.L.i2 + 1/2.C.V2


Dans les 2 cas il s'agit de la conservation de l'énergie.

Dans le premier cas c'est un échange entre une énergie cinétique et l'énergie potentiel d'un ressort.

dans le deuxième cas il s'agit de l'échange d'énergie entre un stockage d'énergie électrique et stockage d'énergie magnétique.

Les 2 problèmes sont analogues et dérivent d'ailleurs d'un même système linéaire de 2 équations couplées.

Dans les 2 cas tu peux ajouter un frottement pour le système de ressort et une résistance pour le circuit électrique.

L'équivalence va beaucoup plus loin. Dans les 2 cas tu peux calculer la variation d'entropie du système. etc.....

c'est donc l'analogie supportée par un certain isomorphisme mathématique des modèles qui permet d'expliquer, par exemple, un phénomène en prenant un phénomène équivalent.

C'est pourquoi il est important pour les problèmes d'évolution de présenter les chose d'une façon uniforme, par exemple:

d/dt.A + a.A = B

A et B sont des grandeurs vectorielles représentées par leurs composantes.

B est la cause (ou la source)
A est la réponse


Supposons que tu as un système non linéaire de la forme:

d/dt.A + a.A + b.A.A = B

En première approximation tu résous

d/dt.A° + a.A° = B

Et ensuite:

d/dt.A + a.A + = B - b.A°.A°


où l'on a mis au second membre la solution A° comme source (il s'agit d'une contre-réaction).

En présentant les équations d'une façon uniforme on perçoit mieux les analogies.

J'espère t'avoir convaincu.

[invitea774bcd7]

En attendant et pour éviter le total HS : ce qui m'a toujours fasciné dans l'électromagnétisme, ce qu'on ait renoncé (pour de bon semble-t-il) à lui trouver un milieu support (le fameux éther).

On l'a trouvé cet éther : c'est le vide (au sens quantique) qui est bel et bien un milieu et est tout sauf vide
Je milite d'ailleurs pour le renommer « éther » eu égard à cette recherche passée

[calculair]

bonjour,

Je reconnais que cela à des avantages, je ne suis pas prof, et je n'ai pas d'avis pertinant concernant la pedagogie.

Mon sentiment c'est que lorsqu'on connait bien les lois que l'on sait apprecier la beauté de cette demarche.

L'acquisition du savoir physique passe quand même par la vision du concret. Par ta methode on s'eloigne du concret, pour ne reflechir que sur les concepts.

Peut être en mecanique quantique, ou j'ai quelques difficultés à tout comprendre, cela est trés utile, car certains resultats ne reposent que sur des lois conceptuelles, mais verifiées par l'experience bien sur....

Personnellement j'aurais je crois moins bien compris la physique avec ta presentation, mais je sais apprecier la beauté mathematique de cette presentation.
Je ne connais pas l'avis des profesionnels de la pedagogie...., mais c'est peut être aussi un problème de tournure d'esprit.

[arbolis87]

Ce que j'ai dit, et j'insiste, est que vous ne pouvez pas avoir une onde uniquement électrique pas plus qu'une onde uniquement magnétique. Et c'est simple à prouver (et ceci à l'intention d'Arbolis) car toute variation temporaire d'un des deux champs crée l'autre champ. Ou, comme dit Maxwell:

Et la réciproque:


Cordialement,

Ah bien sur! Malheureusement je n'y avais pas pensé, bien que cela semble évident pour quiconque.
Je vais voir si je peux emprunter le livre de Feynman.
Merci a tous.