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Optique - interférences destructive et énergie

  1. #1
    un_copain

    Optique - interférences destructive et énergie

    Bonjour à tous,

    Petite curiosité qui me trotte dans la tête depuis un petit bout de temps :
    Je me suis intéressé au biomimétisme il y a quelques mois et j'ai croisé la coloration structurale des ailes de papillons.

    Dans les grandes lignes, la surface de l'aile est recouverte de plusieurs couches transparentes et la différence d'indice de réfraction entre ces couches induit une réflexion des ondes lumineuses, la distance séparant deux couches induisant une différence de marche et donc des interférences. (Je vous conseil de jeter un oeil au phénomène, c'est très intéressant, en particulier les ailes de Morpho)newSci-morpho-fig-lg-01Z.jpg

    Rien de bien sorcier jusque là, mais moi je suis une bille en optique et je me suis demandé : Qu'en est- il de l'énergie ? L'aile n'absorbe rien, pourtant des couleurs (donc les ondes porteuses d'énergie) disparaissent (je vois ce que sont les interférences destructives au niveau mathématique, ce qu'il se passe avec le champ électrique de l'onde) mais je ne sais pas dire où se transmet l'énergie des rayons qui subissent ces interférences destructives.

    Peut être que j'ai une mauvaise vision de la chose, qu'aucune énergie n'est transmise et que l'onde conserve son énergie, bien qu'ayant un champ E nul ?¿?¿ car après tout, l'énergie d'une onde EM est définie par ?¿?¿

    Bref je ne sais pas trop quoi en penser, merci à ceux qui tenteront de m'éclairer

    -----

    Dernière modification par un_copain ; 11/03/2018 à 11h46.

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  3. #2
    calculair

    Re : optique - interférences destructive et énergie

    bonjour

    Dans un champ d'interférences il n'y a pas disparition d'énergie, la repartition spatiale de l'énergie est différente avec des max et des min.....
    Donc ni perte , ni creation d'énergie, tout se conserve ....
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  4. #3
    albanxiii

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Bonjour,

    Citation Envoyé par un_copain Voir le message
    l'énergie d'une onde EM est définie par
    Non, vous confondez avec l'énergie d'un photon.
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  5. #4
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Citation Envoyé par calculair Voir le message
    Donc ni perte , ni creation d'énergie, tout se conserve ....
    Oui je me suis peut être mal exprimé, je suis bien d'accord avec notre cher Lavoisier, tout se transforme. Mais c'est justement le sens de mon interrogation, qu'advient-il de l'énergie portée par les rayons incidents lors d'interférence destructives ?

    Citation Envoyé par albanxiii Voir le message
    Non, vous confondez avec l'énergie d'un photon.
    Oui vous avez raison, mais il me semble que le photon est le quantum d'énergie d'une onde EM, cette formule devrait donc jouer quelque part dans mon problème ?

  6. #5
    gwgidaz

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Citation Envoyé par un_copain Voir le message
    Oui je me suis peut être mal exprimé, je suis bien d'accord avec notre cher Lavoisier, tout se transforme. Mais c'est justement le sens de mon interrogation, qu'advient-il de l'énergie portée par les rayons incidents lors d'interférence destructives ?
    Bonjour,

    L'énergie qui a disparu dans les zones d'interférences destructives ( franges noires) se retrouve dans les franges brillantes, où il y a 4 fois plus de puissance que ce que donnerait une fente seule.

  7. #6
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Citation Envoyé par gwgidaz Voir le message
    Bonjour,

    L'énergie qui a disparu dans les zones d'interférences destructives ( franges noires) se retrouve dans les franges brillantes, où il y a 4 fois plus de puissance que ce que donnerait une fente seule.
    Oui je suis d'accord, mais j'étudie ici un phénomène où il n'y a pas de diffraction (je pense).
    Dans mon système, l'aile toute entière apparaît bleue (le rouge-orange est absorbé), donc il n'y a pas de franges rouges... je crois.

    Prenons le problème autrement, si nous éclairons les ailes avec une lumière monochromatique rouge, j'aurais tendance à dire que l'aile apparaîtrait noire, mais qu'advient-il des rayons réfléchis, de l'énergie incidente ?
    J'ai fait un petit schéma pour mieux visualiser, on considère ici que l'épaisseur de n2 est telle que la différence de marche entre r1 et r2 engendre des interférences destructives :
    interf.jpg

    Voilà, dans mon esprit, le rayon incident i1 a une énergie que je peux utiliser par exemple pour chauffer un matériau absorbant dans le rouge. Mais la combinaison de r1 et r2, n'a plus d'intensité lumineuse et donc ne peut plus chauffer le même matériau absorbant le rouge.
    Il y a bien un défaut d'énergie ?
    Et oui, je peux m'attendre à ce qu'un tel système fasse des franges pour "disperser" l'intensité, mais dans ce cas, pourquoi l'aile du papillon apparaît-elle entièrement bleue ?

    J'espère que j'ai été un peu plus clair cette fois
    Images attachées Images attachées

  8. #7
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Citation Envoyé par un_copain Voir le message
    (le rouge-orange est absorbé)
    EDIT : le rouge-orange n'est pas absorbé mais détruit par interférences (je sais que certains sont pointilleux )

  9. #8
    coussin

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Je ne sais plus à quoi on s'intéresse ici ? Aux ailes de papillon ou à autre chose...
    Raisonner en termes d'énergie est "plus simple". Tout ce qui est réfléchi plus tout ce qui est transmis (si le matériau est un tant soit peu transparent) plus tout ce qui est absorbé (sous forme de chaleur dans le matériau lui-même) doit être égal à ce qui a été envoyé.
    Fort de ce principe immuable, gravé dans le marbre, quelle est votre question exactement ?

  10. #9
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Aie décidément je n'arrive pas à expliquer mon problème, j'en suis désolé
    Je considère une aile de papillon, qui a une coloration dit "structurale" : La coupe d'une aile de papillon est représentée par le rond de droite dans ma première image où un rayon lumineux incident engendre plusieurs rayons réfléchis (j'ai essayé de simplifier le système par ma seconde image, qui est à peu de chose près équivalente). La différence de marche entre ces rayons réfléchis induit des interférences destructives pour des longueurs d'ondes proches du rouge. Donc l'aile apparaît bleue.

    Je pense que l'on peut considérer que la majorité de l'énergie incidente se retrouve dans les rayons réfléchis (absorption et transmission minimes).

    Ma question est la suivante : En ne considérant uniquement les longueurs d'ondes qui sont détruites par interférences. Les rayons incident ont une intensité donnée (équivalent à un nombre de photons donné, est-ce juste ?) et donc une énergie donnée. Après réflexion, nous observons une disparition de l'intensité des rayons rouge, donc une "disparition" d'énergie ? Or il n'y a ni transmission, ni absorption, où est passé l'énergie portée initialement par les rayons incidents ?

    L'aile de papillon est un prétexte pour étudier un phénomène qui, je pense, est relativement trivial, mais que je ne maîtrise pas...

  11. #10
    coussin

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Je comprends mieux. Il n'y a pas de "longueurs d'onde détruites par interférences". Un phénomène d'interférences ne peut pas faire ça, justement pour conserver l'énergie.
    La réflexion par l'aile de papillon, qu'elle fasse intervenir un phénomène d'interférences ou pas, ne change pas la fréquence. On peut donc raisonner à fréquence donnée.
    Comme ça a été dit, un phénomène d'interférences ne peut que redistribuer spatialement l'intensité. Si on intègre cette intensité spatialement, on doit retrouver l'intensité incidente. Pas le choix, c'est la conservation de l'énergie.

  12. #11
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Citation Envoyé par coussin Voir le message
    Si on intègre cette intensité spatialement, on doit retrouver l'intensité incidente.
    Merci beaucoup, donc c'est bien ce que disait gwgidaz, j'ai juste du mal à me représenter les figures d'interférences d'un tel système mais je comprends ce que vous dites. Ça m'avance déjà pas mal sur la physique !

    Mais du coup j'en viens à me demander comment se fait-il que l'aile apparaisse bleue si le rouge n'est que simplement dispersé spatialement... Ça voudrait dire que l'aile change de couleur en fonction de l'angle d'observation ?
    Ce qui me chiffonne c'est que j'ai beau chercher "Morpho wings"sur google image, ça me paraît bleu quelque soit l'angle... J'ai sûrement mal compris un détail, il faut que je revois ça à l'occasion, merci encore !

  13. #12
    C2H5OH

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    Bonjour à tous,

    Pour beaucoup de papillons, en effet, la couleur change selon l'angle ( par exemple le Grand Mars)
    Pour le morpho, j'imagine, vu l'intensité, qu'il y a deux effets qui se cumulent : pigmentation et interférences;
    S'il y a interférences, il peut quand même y avoir absorption de certaines couleurs. voire de toutes( noir) Dans ce cas, une partie de l'énergie est transformée en chaleur.....
    D'ailleurs, l'annulation totale de certaines couleurs exige d'avoir des modules des coef de réflexion précis sur les deux dioptres.

    Il n'y a pas de "figure" d'interférence, juste des couleurs différentes selon eles angles ( voir théorie des réseaux) et perrot-fabry
    Dernière modification par C2H5OH ; 13/03/2018 à 14h14.

  14. #13
    un_copain

    Re : Optique - interférences destructive et énergie

    De mémoire, c'était uniquement un coloration due aux interférences avec à la fois des interférences constructives pour le bleu et destructives pour le rouge...

    Le truc intéressant avec ce système c'est qu'il a une forte dépendance avec l'indice de réfraction du milieu (la réflexion est due aux alternances de "chitine" et d'air, d'indices différents). Donc lorsque l'on remplace l'air par un autre élément, il est possible de faire changer les longueurs d'onde subissant les interférences constructives et destructives, et ainsi changer la couleur de l'aile !

    Mais si je me souviens bien, il est vrai que lorsque l'air est remplacé par une substance d'indice de réfraction égal à la chitine, il n'y a plus de réflexion, et l'aile apparaît noire donc doit y avoir des pigments qui absorbent dans la toute dernière couche de l'aile...

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