3. LA LUMIÈRE, ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

3.1 OPPH électromagnétiques

Supposons

)(0

rktieEE

xekk

kxtrkt

phase de l’onde

xxx

ttt

d

dsi avec xkt ddd

même phase en xx d à tt d qu’en x à t )0(d si :

ktx

dd

kv

vitesse de (propagation de la) phase

d

il y a couplage entre le champ magnétique et le champ magnétique :

Ek

B

),,( BEk

et : trièdre direct

(avec )xeck

k

E

B

x

y

ztournent autour de l’axe Ox…

B

etE

Dans le vide

1-1-81-

00skm 000300sm 103sm 458792299

1

cv

une OPPH se propage en ligne droite à la vitesse de phase :

…sauf dans le cas d’une OPPH polarisée rectilignement selon :ye

zyy ekxtBBeEekxtEE

)cos(et )cos( 00

Pour une OPPH dans le vide :

)(1 2

000p EkEEk

EkEBES

avec :

xeck

Ek

xecE

S

0

2

p

La puissance électromagnétique traversantune surface S orientée est égale au flux duvecteur de Poynting :

0p

BES

)(

2p d)(

S

S

MSP

M

S2d

)(S

+

+

S2d

pS

Dans un milieu transparent

ck

v

1n

00

1

cvrn

VIDE MILIEU TRANSPARENT

: pas de dispersion nc

kv

déf

dans le domaine de l’optique n indice de réfraction du milieu

n dépend de (de dans le vide)

: permittivité relative 0

r00r

1

c

v

0r r

2

vide ck longueur d’onde

dans le vide milieu

22

ncn

vk

cn

k

n

milieud’où

xecE

S

0

2

p xev

ES

0

2

p soit xecnE

S

0

2

p

: dispersion

Quelques valeurs de n à 15°C :

1000277,1 n

5,1520,1 n

650,1n

415,2n

air sec

eau

verre « crown » (classique)

verre « flint »

diamant

34

333,1 n

3.2 Domaine de l’optique

Lumière : ondes électromagnétiques détectées par l’œil humain. correspond à l’intervalle de longueurs d’onde :

m 0,75m 4,0

)(

c

cT

)m(

1310 1210 1110 1010 910 810 710 610 510 410 310 210 110 1 10 100 1000

610

1 M H z

910

1 G H z

1210151018102110

)H( z

Hz105,7 14 Hz104 14

VISIBLE

U.V I.R ONDES HERTZIENNESRAYONS X

spectre des ondes é lectrom agnétiques

RAYONSkmmm

3.3 Émission de la lumière par une source classique

sJ 1063,6 34 h

choc, absorption photon…

la désexcitation peut être NON radiative…

constante de Planck

dualité onde-corpuscule :

photon (masse nulle) onde électromagnétique de fréquence

0hE

0

ch

p 0

t : modèle pas concevable physiquement

relations d’incertitude de Heisenberg : hE 2

indétermination sur l’énergie de l’état excité durée de vie état excité

hE2comme

bande de fréquences de largeur

1

autour de 0

l’onde associée à l’émission d’un photon contient une

MAIS :

t fini1 tor (analyse de Fourier)

1

t

exemple : raie verte d’une lampe à vapeur de mercure 5

0105

Hz 105 140 (visible) Hz 105,2 10

et s 1021

s 104 15

00

11 ν

Tt

T ou p augmentent chocs entre atomes plus fréquents

désexcitation plus rapide 

t raies du spectre de plus en plus larges

T augmente effet Doppler augmente

3.4 Réception par un capteur / Éclairement (ou intensité lumineuse)

ensemble œil-cerveau s 05,0r

cellule photo-électrique s 10 6r

s 102 15

0r Tt

capteurs optiques sensibles qu’à la puissance moyenne du signal

l’éclairement (ou intensité lumineuse) défini comme la puissancemoyenne reçue par unité de surface orthogonale à la directionde propagation

pSI

en 2-mW

onde plane dans le vide : 2

0

2

sAc

EI

onde plane dans un milieu transparent d’indice de réfraction n

2

0

2

sAc

EnI

pour un milieu homogène (n indépendant du point)