Comment immaginer une onde électromagnétique en Electro. classique

[arbolis87]

Bonjour,
Je n'arrive pas a m'imaginer l'"épaisseur" d'une onde électromagnétique plane.
Je sais bien qu'on représente l'onde comme un champ électrique dans une direction, un champ magnétique dans une direction perpendiculaire et les 2 champs perpendiculaires a la direction de propagation. Les champs E et B oscillent dans le temps et espace et ont une amplitude maximum.
Cependant il me semble avoir lu (ou entendu) que le plan dans lequel existent les champs E et B sont infinis. De plus, c'est bien beau dire qu'une onde EM peut se représenter de telle sorte, mais ca n'est pas une représentation spatiale. L'amplitude du champ E ne dit rien sur l'épaisseur de l'onde. Par exemple, si j'ai un laser pointant un écran et un électron situé a une distance de 1 cm du rayon laser... existe-t-il un temps ou l'électron subira la force électromagnétique des ondes EM du laser?
Est-ce que je peux imaginer les ondes EM comme une trace que laissent les avions, c'est a dire fine au début puis de plus en plus large au fil du temps? Je n'ai vraiment pas compris comment m'imaginer une onde EM plane... J'imagine que la trajectoire d'une telle onde serait une ligne droite (sinon elle irait plus vite que la vitesse de la lumiere puisque sa vitesse dans la direction k vaut c et si elle bouge dans une autre direction sa vitesse totale sera plus grande que c, impossible) mais d'aucune épaisseur? D'une épaisseur? Comment la calculer?

Si elle a une épaisseur nulle, alors pour faire bouger un électron ou charge électrique, il faudrait que l'onde se dirige exactement sur la charge. Cependant je ne vois pas comment l'onde pourrait transmettre son moment linéaire puisque l'électron devrait osciller je crois, au lieu d'etre poussé par le moment linéaire de l'onde...

Merci de m'éclairer un peu. Je suis vraiment "perdu" sur la forme de l'onde EM plane.
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[f6bes]

Bjr à toi,
Ne cherche pas "d'épaisseur" il n'y en a pas, ou plus tot elle est infinie.
SI une onde avait une "épaisseur" cela voudrait dire qu'on ne puisse la recevoir QUE dans "l'épaisseur" de celle ci.
Or ou que tu places (sur 360°) tu la recevras.Donc pas d'épaisseur.
Plane indique un "sens" (vertical ou horizontal) comme tu veux, mais RAYONNEE dans toutes directions (si omnidirectionnel), mais dans un sens ou dans l'autre.
A+

[f6bes]

Remoi,
Un ELECTRON, n'est pas " l'onde". Un photon plus probablement !
Pour revenir en arriére; PLANE ne veut pas dire PLATE !

A+

[LPFR]

Bonjour.
Soyons précis: une onde plane n'existe pas. C'est une abstraction mathématique qui fonctionne très bien et qui simplifie les calculs. Comme vous l'avez dit, les plans de l'onde plane sont infinis et ceci demande une puissance (et une énergie) infinie.
En réalité la plupart des ondes sont plutôt sphériques. Du moins, vues de loin. Mais un morceau de sphère petit devant le rayon, ressemble beaucoup à un morceau d'onde plane, et on peut l'étudier ainsi, tout en sachant que l'onde ne s'étend pas à l'infini. La lumière des étoiles, à notre échelle et même à cette du système solaire ressemble très bien à un morceau d'onde plane. Pas pour celle du soleil, qui est trop proche.

La lumière de votre laser ressemble, elle aussi, un peu, à un morceau d'onde plane. L'étendue du morceau n'est pas très grande. D'habitude un demi millimètre à la sortie du laser et quelques centimètres à quelques dizaines de mètres.

Un électron placé dans le faisceau subira bien les forces dues au champ électrique et même celui du champ magnétique (à condition qu'il soit en mouvement). Ces deux forces auront des directions perpendiculaires au faisceau.

Je vous joins un "dessin" d'un morceau d'onde plane que je trouve qui est plus proche de la réalité que celui que l'on donne habituellement:
http://forums.futura-sciences.com/at...ondeplaneoegif
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[arbolis87]

Tout d'abord, je vous remercie pour les réponses.
Oui je sais que l'électron n'est pas l'onde EM. Je voulais me servir de lélectron pour voir si justement il était dans l'onde EM. Il subirait une force de Lorentz s'il l'était.
Ok d'accord pour l'approximation des ondes planes, ca ne change pas ma question.
Supposons une onde presque plane de telle sorte que les plans dans lesquels évoluent E et B soient tres grands (en fait ca n'a pas d'importance, mais comme ca j'expose plus facilement ce que je ne comprends pas), disons 300 000 km d'extension pour faire joli.
Maintenant je crée une de ces ondes. Au bout d'une demi seconde, l'onde aura parcouru 150 000 km dans la direction de propagation, rien d'étonnant. Cependant, l'onde sera de deja 300 000 km d'extensions dans les plans perpendiculaires a la direction de propagation... C'est impossible, ca signifie que le champ EM s'est propagé plus vite que la vitesse de la lumiere.
Qu'est-ce que je ne comprends pas?

[LPFR]

Tout d'abord, je vous remercie pour les réponses.
Oui je sais que l'électron n'est pas l'onde EM. Je voulais me servir de lélectron pour voir si justement il était dans l'onde EM. Il subirait une force de Lorentz s'il l'était.
Ok d'accord pour l'approximation des ondes planes, ca ne change pas ma question.
Supposons une onde presque plane de telle sorte que les plans dans lesquels évoluent E et B soient tres grands (en fait ca n'a pas d'importance, mais comme ca j'expose plus facilement ce que je ne comprends pas), disons 300 000 km d'extension pour faire joli.
Maintenant je crée une de ces ondes. Au bout d'une demi seconde, l'onde aura parcouru 150 000 km dans la direction de propagation, rien d'étonnant. Cependant, l'onde sera de deja 300 000 km d'extensions dans les plans perpendiculaires a la direction de propagation... C'est impossible, ca signifie que le champ EM s'est propagé plus vite que la vitesse de la lumiere.
Qu'est-ce que je ne comprends pas?

Re.
Et vous allez faire comment pour créer une onde "plane" de 300000 km d'extension? Il faudrait que votre source plane fasse 300000 km.
La seule chose que vous pouvez faire c'est créer une onde sphérique et attendre qu'elle grossisse.

Dan le cas du pointeur laser, la source est ponctuelle, le l'onde sphérique. Mais une lentille rend l'onde "plane" en retardant le centre par rapport aux bords.

Vous pouvez imaginer faire la même chose: une source ponctuelle et 150 000 km plus loin, une lentille de 150 000 km de focale et de 300 000 de diamètre. À la sortie de la lentille vous aurez votre onde plane, mais personne n'aura voyagé plus vite que la lumière. Si les bords ont rattrapé le centre c'est parce que le centre a ralenti dans la lentille.
A+

[arbolis87]

Re.
Et vous allez faire comment pour créer une onde "plane" de 300000 km d'extension? Il faudrait que votre source plane fasse 300000 km.
La seule chose que vous pouvez faire c'est créer une onde sphérique et attendre qu'elle grossisse.

Dan le cas du pointeur laser, la source est ponctuelle, le l'onde sphérique. Mais une lentille rend l'onde "plane" en retardant le centre par rapport aux bords.

Vous pouvez imaginer faire la même chose: une source ponctuelle et 150 000 km plus loin, une lentille de 150 000 km de focale et de 300 000 de diamètre. À la sortie de la lentille vous aurez votre onde plane, mais personne n'aura voyagé plus vite que la lumière. Si les bords ont rattrapé le centre c'est parce que le centre a ralenti dans la lentille.
A+

Ah d'accord merci. Je pensais que c'était automatique d'avoir une onde d'extension quelconque dans le plan perpendiculaire a l'axe propagation.
Merci pour l'exemple du laser, je ne savais pas comment on pouvait obtenir une onde quasiment plane.
Mais alors, que veut dire que le plan dans lequel B et E existent est infini en extension? Pouvez-vous m'expliquer un peu plus ce que veut dire

Comme vous l'avez dit, les plans de l'onde plane sont infinis et ceci demande une puissance (et une énergie) infinie.

?
Je vous remercie.

[LPFR]

Re.
Les plans d'une onde plane sont des plans de phase égale. Pas nécessairement d'amplitude égale. Si les plans infinis avaient une amplitude égale cela donnerait des énergies infinies.
L'énergie volumique d'une onde plane est, dans le vide, ε_oE² (dont une moitié due au champ magnétique). Donc, si vous calculez sur un volume infini, cela vous donne une énergie infinie.
Les plans sont infinis (comme tous les plans), mais les champs ne sont différents de zéro que dans une région finie.

Donc, la seule chose que vous pouvez avoir dans la réalité ce sont des morceaux d'onde plane.
A+

[invite499b16d5]

Bonjour,
Il devient très difficile de parler en termes d'ondes dans le cas d'un laser. Il est préférable dans ce cas de parler de photons. Si on veut vraiment voir la lumière comme une onde, elle n'a pas de direction, c'est juste une sphère qui grossit. Dès qu'on contraint le phénomène dans une direction privilégiée, la facilité procurée par l'image "onde" devient caduque.
Il faut bien comprendre que rigoureusement, on ne peut pas parler de la lumière, ni du champ électromagnétique en général, que ce soit en termes d'ondes ou en termes de particules. Ce ne sont que des images naïves, donnant des résultats dans certains cas particuliers. Le champ EM ne se laisse pas "voir" comme ça!

[mariposa]

Bonjour,
Il devient très difficile de parler en termes d'ondes dans le cas d'un laser.

Bonsoir,

là tu fais fausse route.

Le faisceau laser est ce que ce qui se rapproche le plus d'une onde idéale cad une onde purement monochromatique de période w.

Le caractère imparfait (ou quasi-parfait) se caractérise par le temps de coherence TAu qui correspond à la fonction d'autocorrélation:

(F(0).F(t)> = exp(-t/Tau)

Pour une onde monochromatique Tau tend vers l'infini et l'onde est purement monochromatique et cohérente et permet de faire, par exemple, des interférences avec une différence de marche importante.

[arbolis87]

Re.
Les plans d'une onde plane sont des plans de phase égale. Pas nécessairement d'amplitude égale. Si les plans infinis avaient une amplitude égale cela donnerait des énergies infinies.
L'énergie volumique d'une onde plane est, dans le vide, ε_oE² (dont une moitié due au champ magnétique). Donc, si vous calculez sur un volume infini, cela vous donne une énergie infinie.
Les plans sont infinis (comme tous les plans), mais les champs ne sont différents de zéro que dans une région finie.

Donc, la seule chose que vous pouvez avoir dans la réalité ce sont des morceaux d'onde plane.
A+

Ok merci, je crois que je commence a comprendre. Du moins la partie que je ne comprenais pas.
Dites-moi si je me trompe: en calculant l'energie volumique d'une onde plane (sur tout son "volume"), on ne trouve pas une valeur infinie parce que l'extension de l'onde dans la direction de l'axe de sa propagation n'est pas infinie. Pour avoir une énergie infinie il faudrait une source créant en permanence une onde EM et ce durant un temps infini. Est-ce exact?

[invite499b16d5]

Bonsoir,
là tu fais fausse route.

Je vois plutôt la "cohérence" comme un effet d'onde stationnaire émergeant de la marche d'un grand nombre de photons en phase, mais voir chaque photon comme une onde me paraît un abus de langage. J'admets que les choses peuvent se modéliser différemment selon qu'on parle d'un quantum ou d'un faisceau continu.
Mais il me semble que dans l'esprit d'un novice qui "essaie" de se représenter une onde, il y a l'idée d'une émission unique, ponctuelle et sans durée.
Il est beaucoup plus prudent de s'en tenir à l'image d'une onde sphérique, un bip émis par une antenne. La lumière cohérente, c'est quand même autre chose.

[mariposa]

Je vois plutôt la "cohérence" comme un effet d'onde stationnaire émergeant de la marche d'un grand nombre de photons en phase, mais voir chaque photon comme une onde me paraît un abus de langage. J'admets que les choses peuvent se modéliser différemment selon qu'on parle d'un quantum ou d'un faisceau continu.
Mais il me semble que dans l'esprit d'un novice qui "essaie" de se représenter une onde, il y a l'idée d'une émission unique, ponctuelle et sans durée.
Il est beaucoup plus prudent de s'en tenir à l'image d'une onde sphérique, un bip émis par une antenne. La lumière cohérente, c'est quand même autre chose.

Quand on parle d'onde, on ne parle pas de photon et réciproquement. C'est totalement antinomique.

En plus l'onde est un concept de physique classique alors que le photon est un concept purement quantique.

Si l'on veut voir le rapport entre photons et onde il faut faire de l'optique quantique. Le rapport n'est pas trivial et hors de portée de toute intuition.

La lumière qui sort d'un laser c'est un faisceau gaussien monochromatique et cohérent.

[invite499b16d5]

Nous sommes entièrement d'accord sur le fond.
Il fallait juste signaler que toute tentative de parler d'épaisseur d'une onde, de son extension, de ses plans, de son volume et, pire que tout, de sa trajectoire ne peut mener qu'au flou artistique.

[LPFR]

Ok merci, je crois que je commence a comprendre. Du moins la partie que je ne comprenais pas.
Dites-moi si je me trompe: en calculant l'énergie volumique d'une onde plane (sur tout son "volume"), on ne trouve pas une valeur infinie parce que l'extension de l'onde dans la direction de l'axe de sa propagation n'est pas infinie. Pour avoir une énergie infinie il faudrait une source créant en permanence une onde EM et ce durant un temps infini. Est-ce exact?

Bonjour.
La puissance transportée par une onde plane sinusoïdale dans le vide est:

en watts/m².
Si vous prenez un morceau d'onde, pendant une durée, par exemple, on morceau de 1 m² sur 1 m de longueur dans le sens de propagation, cela vous donne une énergie volumique.
Si les champs sont les mêmes dans toute la largeur, une tranche infinie vous donne une énergie infinie. Même si l'épaisseur de la tranche est finie. Pour que l'énergie soit finie il faut que le volume soit fini. Et pour cela il ne faut pas que les champs s'étendent à l'infini.
Au revoir.

[mariposa]

Nous sommes entièrement d'accord sur le fond.
Il fallait juste signaler que toute tentative de parler d'épaisseur d'une onde, de son extension, de ses plans, de son volume et, pire que tout, de sa trajectoire ne peut mener qu'au flou artistique.

Bonjour,

Quand la longueur d'onde est beaucoup plus petite que la géométrie des objets avec lesquels l'onde interagit l'onde posède une trajectoire que l'on appelle rayon. La théorie qui se place dans l'approximation des rayons s'appelle l'optique géométrique.

[invite499b16d5]

Quand la longueur d'onde est beaucoup plus petite que la géométrie des objets avec lesquels l'onde interagit l'onde posède une trajectoire que l'on appelle rayon. La théorie qui se place dans l'approximation des rayons s'appelle l'optique géométrique.

Voilà qui fleure bon le temps où les choses semblaient simples!