Champ électromagnétique

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Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force électromagnétique qu'exercent des particules chargées. Concept important de l'électromagnétisme, ce champ représente l'ensemble des composantes de la force électromagnétique s'appliquant sur une particule chargée se déplaçant dans un référentiel galiléen.

Orientation d'un solénoïde mobile en fonction du champ magnétique terrestre

Une particule de charge q et de vecteur vitesse \vec{v} subit une force qui s'exprime par :

\vec{F} = q \; (\vec{E} + \vec{v} \and \vec{B})

\vec{E} est le champ électrique et \vec{B} est le champ magnétique. Le champ électromagnétique est l'ensemble (\vec{E},\ \vec{B}).

Le champ électromagnétique est en effet la composition de deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment. Néanmoins ces deux entités sont indissociables :

  • la séparation en composante magnétique et électrique n'est qu'un point de vue dépendant du référentiel d'étude,
  • les équations de Maxwell régissant les deux composantes électrique et magnétique sont couplées, si bien que toute variation de l'un induit une variation de l'autre.

Le comportement des champs électromagnétiques est décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique.

La façon la plus générale de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.

Transformation galiléenne du champ électromagnétique[modifier | modifier le code]

La valeur attribuée à chacune des composantes électrique et magnétique du champ électromagnétique dépend du référentiel d'étude. En effet on considère généralement en régime statique que le champ électrique est créé par des charges au repos tandis que le champ magnétique est créé par des charges en mouvement (courants électriques). Néanmoins la notion de repos et de mouvement est relative au référentiel d'étude.

Cependant, depuis la définition qu'en donnent les équations de Maxwell et depuis l'interprétation d'Einstein, contrairement aux champs électriques et magnétiques qui peuvent être statiques par rapport à un référentiel correctement choisi, la particularité caractéristique du champ électromagnétique est toujours d'être sujet à propagation, à la vitesse de la lumière, quel que soit le référentiel choisi.

Dans le cadre de la relativité galiléenne, si on considère deux référentiels d'étude galiléens (R) et (R'), avec (R') en mouvement rectiligne uniforme de vitesse V par rapport à (R), et si on appelle v' la vitesse d'une charge q dans (R'), sa vitesse dans (R) est v = v' + V.

Si on appelle (E, B) et (E', B') les composantes du champ électromagnétique respectivement dans (R) et dans (R'), l'expression de la force électromagnétique devant être identique dans les deux référentiels on obtient la transformation des champs électromagnétiques grâce à :

q [\vec E + (\vec {v'} + \vec V) \and \vec B] = q (\vec{E'} + \vec{v'} \and \vec{B'})

Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :

\vec{B'} = \vec{B} et \vec{E'} = \vec E + \vec V \and \vec B

Fréquence[modifier | modifier le code]

La fréquence d’un champ électromagnétique est le nombre de variations du champ par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz) ou cycles par seconde, et s’étend de zéro à l’infini. Une classification simplifiée des fréquences est présentée ci-après, et quelques exemples d’applications dans chaque gamme sont indiqués.

Fréquence Gamme Exemples d’applications
0 Hz Champs statiques Électricité statique
50 Hz Extrêmement basses fréquences (ELF) Lignes électriques et courant domestique
20 kHz Fréquences intermédiaires Écrans vidéo, plaques à induction culinaires
88 – 107 MHz Radiofréquences Radiodiffusion FM
300 MHz – 3 GHz Radiofréquences micro-ondes Téléphonie mobile
400 – 800 MHz Téléphone analogique (Radiocom 2000), télévision
900 MHz et 1800 MHz GSM (standard européen)
1900 MHz – 2,2 GHz UMTS
2400 MHz - 2483.5 MHz four à micro-ondes, Wi-Fi, Bluetooth
3 – 100 GHz Radars Radars
385 – 750 THz Visible Lumière, lasers
750 THz — 30 PHz Ultra-violets Soleil, photothérapie
30 PHz — 30 EHz Rayons X Radiologie
30 EHz et plus Rayons gamma Physique nucléaire

Les rayonnements X et gamma peuvent rompre les liaisons moléculaires et être à l'origine d'ionisations, facteur cancérigène.

Les rayonnements ultra-violets, visibles et infra-rouges (300 GHz - 385 THz)[1] peuvent modifier les niveaux d'énergie au niveau des liaisons au sein des molécules.

Intensité et puissance[modifier | modifier le code]

L’intensité d’un champ peut être exprimée à l’aide de différentes unités :

  • pour le champ électrique, le volt par mètre (V/m)
  • pour le champ magnétique, le tesla (T) (1 T = 1 Wb.m-2 = 1 kg.s-2.A-1).
  • Selon le rayonnement d’exposition, en densité surfacique de puissance (DSP, en W/m2). La DSP est proportionnelle au produit du champ électrique par le champ magnétique : DSP = E x H = E² / 377 = 377 x H², ou encore : E = Racine (377 x DSP)
  • Le Vecteur de Poynting permet de représenter la densité surfacique d'énergie d'une onde
  • La puissance globale contenue dans un champ électromagnétique peut aussi s’exprimer en watts (W).

Autres propriétés[modifier | modifier le code]

La polarisation : orientation du champ électrique dans le rayonnement

La modulation :

  • d’amplitude (AM),
  • de fréquence (FM),
  • de phase (PW),
  • pas de modulation = émission continue (CW)

Lorsque l’émission est modulée, il faut différencier la puissance maximale, appelée puissance-crête, et la puissance moyenne résultant de la modulation. Par exemple, dans une émission radar avec des impulsions d’une durée de 1 ms toutes les secondes, la puissance moyenne est 1000 fois inférieure à la puissance-crête dans l’impulsion.

Exposition aux champs électromagnétiques[modifier | modifier le code]

Article connexe : Pollution électromagnétique.

Les champs électromagnétiques peuvent avoir une influence non désirée sur certains équipements électriques ou électroniques (on parlera de compatibilité électromagnétique) et sur la santé des personnes, la faune ou l'environnement (on parlera alors de pollution électromagnétique).[réf. nécessaire]

Des réglementations spécifiques ont été adoptées dans la plupart des pays pour limiter les expositions aux champs électromagnétiques ; pour les équipements (directive CEM en Europe) et pour les personnes (recommandation 1999/519/CE et directive 2004/40/CE en Europe).

Dans le monde, l'exposition des personnes et de l'environnement et les facteurs de risques font depuis les années 1960 l'objet d'études, contradictoire, portant sur l'étude sur le degré potentiel de nocivité ou non nocivité de certains champs électromagnétiques. À ce jour, il est recommandé, par principe de précaution, de limiter l’exposition des personnes à risque, tels les femmes enceintes, les enfants, ainsi que les personnes « électrosensibles ». Les principales sources à éviter sont les lignes haute-tension, les IRM, et tout émetteur radiofréquence (GSM, 3G, Wi-Fi...).
Pour améliorer la connaissance et le contrôle de l'exposition du public, en France, suite aux lois Grenelle 1 et Grenelle 2, un décret du 1er décembre 2011 impose aux gestionnaires du réseau public de transport d'électricité un contrôle et des mesure des ondes électromagnétiques produites par les lignes électriques à très haute tension (THT), lors de toute mise (ou remise) en service d'une ligne[2].

Utilisation industrielle et prospective[modifier | modifier le code]

  • Des générateurs d'impulsion électromagnétique (IEM) permettent d'élargir ou resserrer des tuyaux en aluminium
  • Comme alternative à la découpe laser (lente, très consommatrice d'énergie et polluant l'air quand elle vaporise le métal), des procédés innovants[3] utilisent une puissante impulsion électromagnétique pour découper ou percer des métaux très durs (tôles de carrosserie pour voiture par exemple, expérimentalement encore) ; 200 millisecondes suffisent pour percer un trou, contre 1,4 seconde pour le laser dans un même acier (7 fois moins rapide et le trou n'est pas net). Une puissante bobine transforme une énergie pulsée en champ magnétique qui expulse littéralement la surface à découper hors de la tôle (pression équivalente à 3500 bars environ).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Duchêne, A., & Joussot-Dubien, J., Les effets biologiques des rayonnements non ionisants., Médecine-Sciences, Flammarion,‎ (2001), 85 p.
  2. Envirolex, Santé-environnement, Les ondes électromagnétiques générées par les lignes à très haute tension mieux surveillées, 2011-12-05
  3. Institut Fraunhofer de recherche sur les machines-outils et les techniques de transformation (IWU) de Chemnitz (Saxe), http://www.univ-valenciennes.fr/stimat/pdf/03-2010StimatDecoupeparchampelectromagnetique.pdf

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]