Énergie d'une onde électromagnétique : amplitude et fréquence

[invite1c471f87]

Bonjour.

J’aimerais poser une question au sujet de l’énergie des ondes électromagnétiques. Je précise d’abord que je ne suis ni scientifique ni étudiant dans une branche scientifique. J’essai simplement de mieux comprendre tout ce qui nous entoure.

Je vois dans différents ouvrages de vulgarisation que l'énergie d'un rayonnement électromagnétique est proportionnelle à la fréquence. (E = hv)

Mais je me suis dit qu'un courant électrique sinusoïdal était aussi une onde électromagnétique. Or dans ce cas, on dit que la Puissance = U x I (différence de potentiel X intensité).

Si on représente un courant alternatif par une courbe sinusoïdale, on voit l'amplitude (mesurant les variations de U et I) et la fréquence.

Je ne comprends alors pas pourquoi on ne lie pas l'énergie de toute onde électromagnétique à l'amplitude.

J'en arrive à la conclusion, mais j'ai peur de me tromper, qu'il s'agit d'une simplification :

L'énergie d'une onde électromagnétique serait proportionnelle son amplitude mais :

L'énergie "totale" correspondant à une amplitude est sous divisée en portions dont la valeur énergétique (la « taille ») n'est liée qu'à la fréquence de l’onde (E = h v). L'énergie totale serait alors E = n hv, où n serait le "nombre de portions"

L'énergie étant délivrée par portion, elle ne s'accumule pas de manière continue.

Si un phénomène a besoin d'une quantité déterminée d'énergie pour se produire, cette énergie doit lui être fournie en une portion.

Une multitude de portions dont les énergies individuelles sont inférieures à l’énergie requise ne permettra pas d'atteindre l'énergie requise, même si la somme des énergies est mathématiquement équivalente.

Par exemple, pour une énergie de 4 unités, et si pour notre onde hv = 2, on a beau attendre autant qu'on veut, bien que « 2 fois hv = 4 », chaque portion ne vaut 2.

Par conséquent, si une énergie de 4 unités est nécessaire pour déclencher un phénomène, il ne se déclenchera pas car en réalité ces 4 unités sont composées (dans notre exemple) de deux fois 2 unités qui ne sont pas suffisante pour déclencher phénomène étudié.

On pourrait prolonger la durée d’exposition à notre onde aussi longtemps qu’on le voudra, on ne déclenchera jamais le phénomène que l’on veut étudier.

On pourrait également essayer en augmentant l'intensité de l’onde, donc l'amplitude, afin d’essayer d’augmenter l’énergie totale émise, cela ne changerait rien non plus :

Ou les portions individuelles d’énergie ont une « taille » suffisante, ou elles ne l’ont pas. Or en augmentant l’amplitude de l’onde nous augmentons le nombre de « portions individuelles d’énergie » (c'est à dire le n de E= n hv) et non leur « taille ».

Est-ce plus ou moins exact comme manière de voir ?

Goldo
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[invite6dffde4c]

Bonjour.
La puissance transmisse par une onde électromagnétique ne dépend pas de la fréquence mas de l’amplitude des champ électrique et magnétique.
Comme dans les ondes « courantes », ces deux champs sont reliés, on peut donner la puissance transportée par une onde en fonction de la valeur du champ électrique uniquement. Cette puissance transportée, en watts par mètre carrée est :

Par exemple, pour une onde dont le champ électrique est de 500 V efficaces, la puissance transportée est de :
663 W/m2, c’est-à-dire comme celle du Soleil quand il n’est pas trop fort.

La dépendance de l’énergie (et non de la puissance) avec la fréquence on la trouve dans le photon. L’énergie d’un photon est ‘h’ (la constante de Plank) fois la fréquence de l’onde électromagnétique associée à ce photon. (Résultat en joules).

Pour un processus classique, comme réchauffer une pizza dans un four à micro-ondes, l’énergie est cumulative, plus vous laissez votre pizza et plus elle chauffe.

Par contre, pour des processus quantiques, qui on besoin de photons une énergie donne, ils ne fonctionneront pas avec deux photons de la moitié de l’énergie.
Donc, il faut savoir si le phénomène dont vous avez à voir est classique ou quantique.
Au revoir.

[invite1c471f87]

Ne peut-on pas considérer que la classique est aussi soumis à la même discontinuité mais que cela est "invisible" à cause de la petitesse de la constante de Planck ?

Merci.

[calculair]

Ne peut-on pas considérer que la classique est aussi soumis à la même discontinuité mais que cela est "invisible" à cause de la petitesse de la constante de Planck ?

Merci.

OUi c'est exact.....

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

Par contre, pour des processus quantiques, qui on besoin de photons une énergie donne, ils ne fonctionneront pas avec deux photons de la moitié de l’énergie.

Ça dépend des processus. Pour une transition atomique, c'est le cas : soit une transition à 1 photon ayant la bonne énergie soit une transition à 2 photons ayant la moitié de l'énergie nécessaire.

[invite1c471f87]

Bonjour


Si je comprends bien :

- La puissance est donnée par l'amplitude.

- L'énergie est fonction uniquement de la fréquence (E = hv), ce qu'on appelle les photons


La puissance c'est l'énergie par unité de temps. C'est un peu comme le "débit d'énergie".

L'énergie serait portée par chaque photons, l'amplitude correspondrait aux nombre de photons par unité de temps. Plus il y a de photons, plus il y a de puissance, mais cela ne change rien à l'énergie de chaque photon.

Est-ce +/- exact ?

Merci.

[calculair]

La puissance est proportionnelle au carré de l'amplitude

La puissance est bien l'énergie par unité de temps ( definition générale de la puissance )

L'energie est portée par les photons. La puissance est le débit des photons , ou nombre de photons par seconde . Ce nombre, pour unr puissance donnée, dépend de la frequence; L'energie 1 photons dépend de la fréquence

[invite9e0875b2]

Bonjour,

J'espère que je ne serai pas trop grondé pour "déterrer" cette discussion mais comme elle est tout à fait dans mes questionnements présents ...

D'abord merci à ceux qui ont déjà répondu au sujet.

Je m'intéresse à la physique fondamentale pour notamment essayer de mieux comprendre les bases conceptuelles de mes domaines techniques mais n'ai aucune formation académique en physique "avancée", uniquement des connaissances professionnelles de bureau d'études en génie climatique, énergétique et électricité.

Dans ce cadre, j'aimerais donc vérifier ma compréhension :


En se basant sur :

PUISSANCE = ÉNERGIE / TEMPS [1]

ou

PUISSANCE = ÉNERGIE * FRÉQUENCE [2]

et puisque :

ÉNERGIE D'UN PHOTON = CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE DU PHOTON [3],

la PUISSANCE d'un photon serait alors "mathématiquement" égale à :

PUISSANCE D'UN PHOTON = (CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE) / TEMPS [4]

soit

PUISSANCE D'UN PHOTON = (CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE) * FRÉQUENCE [5]

PUISSANCE D'UN PHOTON = CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE^2 [6]

Mais n'est-ce pas une erreur "sémantique" du fait que l'inversion du temps dans [4], si elle est de même dimension qu'une fréquence, n'a rien à voir ici avec LA FRÉQUENCE DU PHOTON ? et les équations "sémantiquement correctes" ne seraient-elles pas, comme suggéré dans des précédents posts je crois :


PUISSANCE D'UN FAISCEAU DE PHOTONS = ÉNERGIE D'UN PHOTON * DÉBIT DE PHOTONS

PUISSANCE D'UN FAISCEAU DE PHOTONS = ÉNERGIE D'UN PHOTON * (NOMBRE DE PHOTONS / TEMPS)

PUISSANCE D'UN FAISCEAU DE PHOTONS = (CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE DU PHOTON) * (NOMBRE DE PHOTONS / TEMPS) ?


Aussi, si la PUISSANCE D'UN PHOTON est fonction du carré d'une AMPLITUDE, comment obtient-on l'expression de cette même PUISSANCE à partir de l'équation précédente et de l'AMPLITUDE? et que représenterait ce lien dans la réalité ? en particulier vu qu'un photon, en tant que paquet d'onde, n'a pas dans l'espace une amplitude constante mais amortie ?

S'il vous plaît.

Cordialement.

PS : mes notions vont jusqu'à QED et la théorie de de Broglie-Bohm, sans toute fois n'avoir aucune maîtrise des outils mathématiques correspondants, juste ceux d'une première S.

[gwgidaz]

PUISSANCE D'UN FAISCEAU DE PHOTONS = (CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE DU PHOTON) * (NOMBRE DE PHOTONS / TEMPS) ?


Aussi, si la PUISSANCE D'UN PHOTON est fonction du carré d'une AMPLITUDE, comment obtient-on l'expression de cette même PUISSANCE à partir de l'équation précédente et de l'AMPLITUDE? et que représenterait ce lien dans la réalité

Bonjour,

Pour trouver la puissance d’un faisceau en introduisant l’amplitude du champ E, il faut aussi faire intervenir la section S du faisceau . En effet, votre formule est la même , que le faisceau soit large ou concentré, or le champ E dépend de cette concentration.

Comme on vous l’a dit, la puissance du faisceau sera
P = S . E2 / 120pi si la répartition est uniforme.

on voit qu'il n'est pas nécessaire de s'intéresser aux photons si on cherche la puissance en fonction du champ E.

[phys4]

Ici il y a un grand mélange, la puissance c'est l'énergie totale pendant un temps donné, vous pouvez pas associer la durée(1) avec une fréquence(2) qui doit être associée à une période.
La seconde équation est à oublier

En se basant sur :

PUISSANCE = ÉNERGIE / TEMPS [1]

ou

PUISSANCE = ÉNERGIE * FRÉQUENCE [2]

et puisque :

ÉNERGIE D'UN PHOTON = CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE DU PHOTON [3],

la PUISSANCE d'un photon serait alors "mathématiquement" égale à :

PUISSANCE D'UN PHOTON = (CONSTANTE DE PLANK * FRÉQUENCE) / TEMPS [4]

Et vous ne pouvez pas associer une puissance à un photon, car sa durée de vie n'a rien à voir avec la durée d'une impulsion d'énergie. Ensuite cela devient absurde et donc incompréhensible.

[invite9e0875b2]

Bonjour,

Bonjour gwgidaz, Merci de me répondre.

Pour trouver la puissance d’un faisceau en introduisant l’amplitude du champ E,

Lorsque vous dites "champ E", vous voulez dire "champ énergétique", c'est bien ça ?

Comment liez-vous l'amplitude d'un photon à l'amplitude du champ ? En supposant que tous les photons du champ sont de même amplitude, dira-t-on que l'amplitude du champ a la même valeur que celle du photon ?

L'amplitude du photon, dans la théorie de Broglie-Bohm, est-elle l'amplitude maximale ? Moyenne ? Autre ? du "paquet d'ondes" ?

il faut aussi faire intervenir la section S du faisceau . En effet, votre formule est la même , que le faisceau soit large ou concentré, or le champ E dépend de cette concentration.

Pourquoi cela ? La puissance d'un fleuve ne dépend pas de sa section, seulement de la quantité de tonnes d'eau ("charge gravitationnelle") par unité de temps qu'il débite et du carré de la vitesse ("différence de potentiel gravitationnel" : V^2 = différence de hauteur d'eau × intensité de la pesanteur) ? Ce dont vous parlez, la PUISSANCE PAR UNE SECTION, n'est-ce pas plutôt la DENSITÉ DE PUISSANCE ?

Par exemple, en électricité, la puissance est le quotient de L'ÉNERGIE par LE TEMPS mais la PUISSANCE ÉLECTRIQUE PAR UNITÉ DE SECTION DE CONDUCTEUR (ou de faisseau électronique) n'est-elle pas elle aussi la "DENSITÉ DE PUISSANCE"?

Comme on vous l’a dit, la puissance du faisceau sera
P = S . E2 / 120pi si la répartition est uniforme.

Merci.

À quoi correspond le "E" ici ? C'est de l'énergie je suppose mais l'énergie de quoi ? D'un seul photon ? Est-ce "l'intensité du champ énergétique" ?

Aussi, à quoi correspondent les 120 pi ? Pourriez-vous détailler la formule s'il vous plaît de façon que je puisse éventuellement comprendre "d'où elle vient", comment on l'obtient.

on voit qu'il n'est pas nécessaire de s'intéresser aux photons si on cherche la puissance en fonction du champ E.

Mais comment vous pouvez connaître les caractéristiques du "champ E" ? "E2" voulait-il dire "le carré de l'intensité du champ énergétique du champ photonique" ?

[invite9e0875b2]

Ici il y a un grand mélange, la puissance c'est l'énergie totale pendant un temps donné, vous pouvez pas associer la durée(1) avec une fréquence(2) qui doit être associée à une période.
La seconde équation est à oublier


Et vous ne pouvez pas associer une puissance à un photon, car sa durée de vie n'a rien à voir avec la durée d'une impulsion d'énergie. Ensuite cela devient absurde et donc incompréhensible.

Mais n'est-ce pas justement ce que je disais, que l'on ne pouvait PAS, faire ce "saut sémantique" alors que "mathématiquement" cela fonctionne ? Est-ce que j'ecris si mal? ^_^

[phys4]

Cela ne fonctionne pas, car vous arrivez à des équations [5] et [6] qui n'ont pas de sens.

[gwgidaz]

Bonjour gwgidaz, Merci de me répondre.


Lorsque vous dites "champ E", vous voulez dire "champ énergétique", c'est bien ça ?

Comment liez-vous l'amplitude d'un photon à l'amplitude du champ ? En supposant que tous les photons du champ sont de même amplitude, dira-t-on que l'amplitude du champ a la même valeur que celle du photon ?

L'amplitude du photon, dans la théorie de Broglie-Bohm, est-elle l'amplitude maximale ? Moyenne ? Autre ? du "paquet d'ondes" ?


Pourquoi cela ? La puissance d'un fleuve ne dépend pas de sa section, seulement de la quantité de tonnes d'eau ("charge gravitationnelle") par unité de temps qu'il débite et du carré de la vitesse ("différence de potentiel gravitationnel" : V^2 = différence de hauteur d'eau × intensité de la pesanteur) ? Ce dont vous parlez, la PUISSANCE PAR UNE SECTION, n'est-ce pas plutôt la DENSITÉ DE PUISSANCE ?

Par exemple, en électricité, la puissance est le quotient de L'ÉNERGIE par LE TEMPS mais la PUISSANCE ÉLECTRIQUE PAR UNITÉ DE SECTION DE CONDUCTEUR (ou de faisseau électronique) n'est-elle pas elle aussi la "DENSITÉ DE PUISSANCE"?


Merci.

À quoi correspond le "E" ici ? C'est de l'énergie je suppose mais l'énergie de quoi ? D'un seul photon ? Est-ce "l'intensité du champ énergétique" ?

Aussi, à quoi correspondent les 120 pi ? Pourriez-vous détailler la formule s'il vous plaît de façon que je puisse éventuellement comprendre "d'où elle vient", comment on l'obtient.


Mais comment vous pouvez connaître les caractéristiques du "champ E" ? "E2" voulait-il dire "le carré de l'intensité du champ énergétique du champ photonique" ?

Bonjour,

Beaucoup de choses embrouillées. Il faut d'abord employer les termes exacts. Le "champ énergétique", c'est quoi ?
Pour une onde électromagnétique, on a un champ électrique E et un champ magnétique H.
Ici, E est le champ électrique et La puissance par unité de surface est égale à E2 /120pi.
( pour démonstration, voir un cours d'électromagnétisme)

Maintenant, si je vous comprends bien , vous voudriez lier les photons à ce champ électrique E.
Vous avez envie de dire dire :
- energie d'un photon = hF
- énergie de N photons : NhF
- puissance du faisceau =energie qui traverse la surface S pendant le temps t: soit NhF/t
- cette puissance est aussi égale à la densité de puissance multipliée par la surface, soit S. E2/120pi
- donc le carré du champ E est égal à 120 pi N hF /tS ou encore égal à 120pi hF D/S( avec D débit des photons ) ou encore 120pi hF c d ( avec d "densité volumique des photons")

Mais tout le monde ne sera pas d'accord avec ce calcul, car c'est considérer que le photon est une particule, qui est présente dans l'espace quand l'onde se propage. Or il n'en est rien. Le photon n'est présent que lorsqu'il y a échange d'énergie...Le photon, c'est bien plus compliqué que cela, et je vous conseille de ne pas le considérer quand vous voulez évaluer la puissance d'une onde électromagnétique....et de vous en tenir à puissance par unité de surface = E2/120 pi.

[Nicophil]

Bonjour,

Aussi, si la PUISSANCE D'UN PHOTON est fonction du carré d'une AMPLITUDE, comment obtient-on l'expression de cette même PUISSANCE à partir de l'équation précédente et de l'AMPLITUDE ?

Lorsque vous dites "champ E", vous voulez dire "champ énergétique", c'est bien ça ?

Un photon est caractérisé par son énergie (en J) E = h.f (et son impulsion p = E/c), avec f la fréquence du rayonnement électromagnétique.
L'amplitude, c'est celle de la composante électrique (champ E en V/m) du champ électromagnétique.

Aussi, à quoi correspondent les 120 pi ? Pourriez-vous détailler la formule s'il vous plaît de façon que je puisse éventuellement comprendre "d'où elle vient", comment on l'obtient.

Cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Imp%C3...stique_du_vide

Comment liez-vous l'amplitude d'un photon à l'amplitude du champ ?

Un photon n'a pas d'amplitude justement.
La densité surfacique de puissance du rayonnement est proportionnel au carré du champ E et correspond au nombre de photons reçu par m² et par s.

[invite9e0875b2]

Cela ne fonctionne pas, car vous arrivez à des équations [5] et [6] qui n'ont pas de sens.

Encore une fois, n'est-ce pas EXACTEMENT ce que j'exprimais par la phrase suivante :

Mais n'est-ce pas une erreur "sémantique" du fait que l'inversion du temps dans [4], si elle est de même dimension qu'une fréquence, n'a rien à voir ici avec LA FRÉQUENCE DU PHOTON ?"

[invite9e0875b2]

Juste ce poste pour vous dire que je travaille bel et bien sur vos réponses, gwigdaz et Nicophil.

Je voudrais juste m'assurer un peu plus de ce que je comprends et ne comprends pas.

Or n'ayant pas tout le temps que je souhaiterais pour creuser ces questions, cela pourrait me prendre encore un peu de temps avant de poster à nouveau :/

Cordialement.