Le très artistique concept d'onde électromagnétique ...

A partir d'une question innocente, une belle discussion pour cerner le concept d'onde électromagnétique :

https://forums.futura-sciences.com/physique/159600-amplitude-ondes-electromagnetiques.html

Amplitude d'une onde électromagnétique, le point de vue de LARI :

Revenons aux définitions !!

Une onde n'est pas une chose. C'est simplement un modèle d'un phénomène. Le modèle d'une grandeur qui, en un point, varie dans le temps. Et cette variation se propage de proche en proche (se rappeler une onde mécanique comme à la surface de l'eau : la grandeur est la hauteur de l'eau. Elle varie dans le temps - selon une fonction sinusoïdale -) et cette variation se propage.

Dans le cas qui nous occupe, qu'est ce qui varie ? La valeur du champ électromagnétique. Quoicé ?

La encore, un champ n'est pas une chose, c'est également un modèle. C'est simplement le fait de dire qu'en chaque point de l'espace, une grandeur peut prendre des valeurs particulières.

Quelle est cette grandeur ici ? le champ électrostatique (on va virer le champ magnétique, il est toujours perpendiculaire à l'électrostatique...)

C'est à dire la force QUI S'EXERCERAIT sur un objet chargé électriquement (avec une charge de "1") S'IL ETAIT placé au point considéré.

La grandeur en question n'est pas qu'un nombre ici, comme l'était la hauteur de l'eau. C'est une force qui a une intensité et une direction (je pousse vers ou et avec quelle intensité). On la représente par un vecteur. C'est pour cela que les champs EM sont des petites flêches...

L'onde EM est donc le fait qu'en certains endroits de l'espace, il y a potentiellement une force qui peut s'exercer sur un objet chargé SI on l'y met, que cette force varie et que cette variation se propage. Elle varie en intensité, mais pas en direction dans le cas d'un rayonnement simple : c'est toujours perpendiculaire à la direction de propagation (dans un sens ou dans l'autre). En revanche, il peut y avoir n'importe quel angle autour de la direction ! c'est la polarisation (faites un crobard...)

Rassurez vous, il n'y a rien dans une onde EM (c'est pour ça que ça passe dans le vide !!). C'est une POTENTIALITE qui se balade. Cette force POTENTIELLE varie selon la fréquence, et cette variation se propage à la 300.000km/s.

Tant que rien de chargé n'existe sur le passage de cette "onde", RIEN ne se passe (d'ailleurs, on se demande même si l'onde existe tant qu'il n'y a rien pour la recevoir, même si la vitesse de la lumière est limitée, comme il n'y a pas de temps propre à cette vitesse.... mais c'est une autre histoire...celle du grand Albert...).

S'il y a un objet chargé sur le trajet (ex : un électron - c'est pas un objet, mais bon, c'est chargé... - ) il va subir la force, et donc se "déplacer" - hum - (dans la mesure ou le quantum d'action est suffisant... mais c'est encore une autre histoire...d'Albert et consorts...) et c'est comme ça que ma calculatrice fonctionne au soleil.

Bref, si on récapitule, l'amplitude de l'onde électromagnétique, c'est dans quelles limites varie la force que SUBIRAIT un objet chargé s'il était placé sur le trajet de l'onde. Plus l'amplitude est grande, et plus l'énergie qui serait déployé sur l'objet serait grande : l'objet gigoterait fortement, subissant une force variant et allant "vers le haut" puis "vers le bas". Plus la fréquence est grande aussi : l'objet gigoterait beaucoup de fois.

D'ou ça sort ? On se le demande. Tout ce qu'on peut dire est que deux particules chargées s'attirent ou se repousse. ça on le constate. Mais en fait, cela ne se passe pas tout le temps et instantanément comme on l'a cru au départ (ce qui embêtait Albert, comme cela embêtait Newton pour la gravité). 

La force est transmise entre les deux particules par cette propagation virtuelle de la force, de l'une à l'autre et à vitesse limitée (300.000 km/s).

Il peut y avoir un échange permanent de forces réciproques lorsque les particules ne font que s'attirer ou se repousser (échange permanent de "photons virtuels").

Il peut aussi y avoir transfert d'énergie de l'une à l'autre (par quantum d'action uniquement). C'est la manière dont le transfert s'opère qui se modélise ainsi : par ce modèle d'onde de champ E.M.

Un rayonnement EM, on ne peut rien en dire d'autre (sur une supposée nature).

Mais rassurez-vous, la formule qui donne la variation de cette force potentielle qui se transmet d'une charge à l'autre (et quelques autres formules) permet de tout calculer et modéliser (même si on ne sait pas de quoi on parle !).

Voilou.


De toute cette discussion, il ressort qu'on ne peut mesurer une grandeur physique qu'en ayant une traduction de celle-ci en énergie. Les amplitudes des champs électriques et magnétiques ne sont pas instantanément mesurables en un point de l'espace, mais avec le modèle de propagation sinusoïdal des ondes, on peut les calculer en passant par des calculs/mesures de puissances comme ici http://fr.sci.physique.narkive.com/MHAbnini/amplitude-d-un-champ-electromagnetique-a-partir-de-la-puissance-emise

Pour aller plus loin :

https://openclassrooms.com/forum/sujet/amplitude-de-la-vibration-du-champ-electrique-58510

https://en.wikipedia.org/wiki/Poynting_vector#The_Poynting_vector_in_plane_waves

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00245539/document