Champ électromagnétique - Définition
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Introduction
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.
Une particule de charge q et de vitesse v subit une force qui s'exprime par :
où
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
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.
Dans le cadre de la relativité galiléenne, si on considère deux référentiels d'étude galiléens (R) et (R'), avec (R') et 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'})](https://static.techno-science.net/illustrationWebp/Definitions/autres/b/bd7697060f83170ded4fed1e7a516535_c144e25b0df3075ceff5d1895cc1f63d.png)
Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :
Intensité et puissance
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, l’ampère par mètre (A/m) ou le tesla (T) (1 A/m = 1,27 µT)
- 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)
- La puissance globale contenue dans un champ électromagnétique peut aussi s’exprimer en watts (W).
Fréquence
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 | Electricité statique |
| 50 Hz | Extrêmement basses fréquences (ELF) | Lignes électriques et courant domestique |
| 20 kHz | Fréquences intermédiaires | Écrans vidéo, plaques à inductions 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, WIFI, Bluetooth | |
| 3 – 100 GHz | Radars | Radars |
| 375 – 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 peuvent modifier les niveaux d'énergie au niveau des liaisons au sein des molécules.
Les radiofréquences n’ont pas suffisamment d’énergie pour perturber les liaisons moléculaires.
