Champs électromagnétiques et énergie

Le champ électromagnétique est une onde constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique perpendiculaires l’un à l’autre, oscillants et qui se propagent en ligne droite dans le vide ou dans un milieu transparent. On définit sa fréquence, communément désignée par la lettre grecque ν (nu), comme son nombre d’oscillations par seconde et sa longueur d’onde, désignée par la lettre grecque λ (lambda), comme la distance qu’il parcourt pendant une période d’oscillation.  La vitesse de propagation de ce champ dans le vide, c, appelée vitesse de la lumière, est d’environ 300 000 km par seconde. On a entre ces quantités la relation λ = c/ν.

Les ondes électromagnétiques sont classées d’après leur fréquence d’oscillation, ou de manière équivalente par leur longueur d’onde. Par ordre croissant des fréquences (donc décroissant de longueur d’onde), on distingue :

• les ondes radio dont la longueur d’onde va de plusieurs km à quelques mm ;
• les rayonnements infrarouges (IR) dont la longueur d’onde va du mm à 0,8 micron (un micron vaut un millième de millimètre) ;
•  la lumière visible de 0,8 à 0,4 micron ;
•  les ultraviolets (UV) de 0,4 micron à quelques angströms (un angström vaut un dix millième de micron) ;
•  les rayons X, et enfin les rayons gamma.

Il existe donc une immense gamme de longueurs d’onde pour un même phénomène physique.

L’électromagnétisme relève de la mécanique quantique, ce qui signifie que si on peut décrire ce rayonnement par une onde comme on vient de le voir, on peut également le décrire comme un flux de particules, les photons. Un photon est une particule curieuse qui n’existe pas à l’arrêt, mais qui se déplace dans le vide à la vitesse c et transporte une énergie hν où h est la constante de Planck (6,626.10^-34 joules/s).

Le rayonnement électromagnétique est émis par les atomes ou par leurs noyaux. C’est ce rayonnement (visible, infrarouge, ultraviolet, X...) qu’observent les astronomes et qui leur permet de savoir ce qui se passe dans les étoiles et les galaxies les plus lointaines. Le soleil émet une grande quantité de rayonnement, notamment dans le visible (ce qui nous éclaire), mais aussi dans l’infrarouge (ce qui chauffe notre main si on la met au soleil) et dans l’ultra violet (ce qui nous donne des coups de soleil mais permet aussi de produire de l’électricité par effet photovoltaïque).

L’homme sait créer du rayonnement électromagnétique comme les lasers, les ondes radios ou celles qu’utilisent nos téléphones portables. Ce rayonnement est largement utilisé pour transporter de l’information.

Les enjeux liés à l’énergie électromagnétique dépendent de la manière dont elle est générée et récupérée. De manière générale, le phénomène électromagnétique suit trois étapes:

• émission : l’énergie est générée par une source ;
• propagation : l’énergie est véhiculée dans un milieu physique ;
• réception : l’énergie est récupérée par un capteur.

Par exemple, la lumière est créée par le Soleil, voyage dans le vide et l’atmosphère terrestre et est reçue par l’œil humain.

Ainsi on distingue quatre catégories :

• l’énergie naturelle et non exploitée par l’homme ;
• l’énergie naturelle et exploitée par l’homme ;
• l’énergie artificielle et non exploitée par l’homme ;
• l’énergie artificielle et exploitée par l’homme.

Seul un milliardième de l’énergie émise par le Soleil arrive sur Terre.

La première catégorie regroupe l’énergie créée dans l’univers qui n’atteint pas la Terre, ou celle qui est présente sur Terre mais qui n’est pas directement utilisée par l’homme. Pour donner quelques ordres de grandeur :

• notre galaxie émet 13 milliards fois plus d’énergie que notre Soleil ;
• un milliardième seulement de l’énergie émise par le Soleil arrive sur Terre.

La deuxième catégorie englobe l’énergie rayonnée par le soleil, corps noir de 6 000 K de température, émettant dans tout le spectre visible et débordant sur les spectres UV et IR proches. En théorie, cette énergie solaire arrive sur Terre en quantité suffisante pour satisfaire au moins 10 000 fois les besoins énergétiques mondiaux. Une petite partie en est captée pour produire de la biomasse par photosynthèse. En réalité, l’homme ne sait pas encore capter directement cette énergie très efficacement, mais il progresse dans la transformation des UV en électricité par le photovoltaïque, et des IR en chaleur par la concentration optique. Rappelons que l’homme exploite par contre efficacement, de façon différée, les énergies fossiles accumulées par l’énergie solaire à l’échelle géologique (pétrole, gaz, charbon), mais aussi, plus directement, l’énergie des vents et des mers provenant des inhomogénéités de l’insolation terrestre.

La troisième catégorie correspond à l’énergie électromagnétique produite par l’activité humaine sans être désirée. Des lignes électriques à haute tension génèrent par exemple des perturbations électromagnétiques. Lorsqu’un système en perturbe un autre, on utilise le terme d’interférences électromagnétiques.

La quatrième catégorie compte un nombre très important d’applications. La suite de cet article se concentre majoritairement sur ces utilisations.

Le champ électrique se mesure en volt par mètre (V/m), et le champ magnétique en Tesla (Webers/m²). L’impédance intrinsèque du milieu de propagation, mesurée en ohms (Ω), relie l’intensité des deux champs. Elle vaut environ 377 Ω  pour le vide ou l’air.

Le vecteur de Poynting, produit vectoriel des champs magnétiques et électriques, mesure la densité de puissance transportée par une onde dans le sens de sa propagation. Ce flux d’énergie correspond à une puissance par unité de surface, et son unité est le watt par mètre carré (W/m²).

La puissance totale rayonnée par une source s’obtient en intégrant le flux d’énergie dans toutes les directions et se mesure en watt (W). En utilisant l’impédance intrinsèque, on montre que l’intensité du champ électrique est proportionnelle à la racine carrée de la puissance rayonnée et décroît linéairement avec la distance.

A titre comparatif le tableau ci-dessous donne quelques ordres de grandeur de puissance.

L’énergie électromagnétique a de multiples applications. Le tableau ci-dessous récapitule de manière non exhaustive différentes utilisations suivant leur fréquence. Deux principes généraux sont à souligner.

La propagation des ondes dépend de leur fréquence. Ainsi, dans la plage des ondes radios, les ondes longues (fréquence faible) ont en général des capacités à contourner les obstacles et à se propager loin. Par exemple, les ondes kilométriques permettent des transmissions jusqu’à 1 000 km. Au contraire, plus une onde a une fréquence élevée, plus elle a tendance à se comporter comme un faisceau et à nécessiter des communications en ligne directe. C’est typiquement le cas des "micro-ondes", c'est-à-dire des ondes dont la fréquence est comprise entre 1 GHz et 300 GHz, puis des lasers qui couvrent tout le spectre lumineux, du lointain infrarouge à l’ultraviolet.

L’énergie de chaque photon est directement proportionnelle à la fréquence. Ainsi, un photon de rayons X ou gamma a une énergie suffisante pour briser des liaisons au sein même des atomes : ce sont des rayonnements ionisants ayant de multiples applications en recherche scientifique, en biologie, en médecine et en contrôle industriel mais qui peuvent être dangereux.
 

Devant la variété des ondes électromagnétiques et la multitude d’acteurs industriels, cette section traite à titre indicatif de trois plages de fréquence :

• en dessous des très basses fréquences, les utilisations sont pour la plupart de type électrique. L’acteur industriel majeur est EDF ;
• les ondes radios sont principalement utilisées par l’armée et les opérateurs de télécommunication. L’UIT (Union Internationale des Télécommunications) est l’institution de l’ONU qui gère et alloue le spectre électromagnétique au sein des États membres ;
• les lasers ont envahi le monde des médias (CD, DVD), de l’ophtalmologie, des télécommunications à fibres optiques, de l’optronique militaire, et même des supermarchés avec les lecteurs de codes barres ;
• les rayons X et gamma ont des applications majeures en imagerie médicale et en radiothérapie. Mais ces rayonnements étant ionisants, ils doivent être confinés et maîtrisés, ce qui représente un défi technologique pour toute activité liée au domaine nucléaire. En France, le CEA mène les recherches dans ce domaine.

Plusieurs scientifiques ont participé à la découverte des ondes électromagnétiques. James Maxwell a formulé les bases de l’électromagnétisme en 1861-1862. Ses travaux ont été confirmés par Heinrich Hertz. Ce dernier, en travaillant sur l’effet photoélectrique, et Max Planck, en étudiant le corps noir, ont prouvé que les échanges d’énergie sont quantifiés. Albert Einstein a introduit le concept de photon en 1905 en étudiant l’effet photoélectrique.

Le futur de l’énergie électromagnétique est difficile à prévoir tant le domaine est vaste, comme en témoignent les trois exemples suivants :

Dans le domaine des télécommunications, on constate une évolution vers des fréquences plus hautes, rendue possible grâce aux progrès de l’électronique. Ainsi, des fréquences de l’ordre du gigahertz sont désormais courantes, par exemple le Wi-Fi à 5 GHz. On peut s’attendre à de nouveaux progrès. La bande autour du térahertz, entre les hyperfréquences radios et  l’optique, suscite des convoitises.

De nouvelles applications pourraient voir le jour dans le domaine de la transmission d’énergie sans fil, technique réalisable soit par induction, par radiation ou par conduction ou de la transmission d'informations sans fil (« Li-Fi »). Le défi est d’obtenir un rendement énergétique bien supérieur à celui des transmissions de données. Aujourd’hui, des applications en champ proche existent : transformateur électrique, plaques de cuisson à induction, stimulateur cardiaque, chargement d’appareils électriques (brosse à dent, portable).

La génération d’impulsions électromagnétiques a récemment trouvé des applications industrielles. Elle permet par exemple de déformer des tuyaux en aluminium. De manière surprenante, elle peut également donner des résultats supérieurs au laser pour découper des métaux très durs.