• Fréquence, période, amplitude et longueur d’onde

La plupart des champs artificiels oscillent de manière régulière : on dit qu’ils sont alternatifs car leur sens s’inverse plusieurs fois par seconde (contrairement à un champ invariable dans le temps qui est dit « statique »).

La fréquence, notée f et exprimée en hertz (Hz), correspond au nombre de répétitions complètes d’un signal pendant une seconde. Une oscillation complète par seconde représente donc une fréquence de 1 Hz. A l’inverse, le temps nécessaire à une oscillation complète est appelé la période, notée T et exprimée en seconde (ou un de ses sous-multiples).

Pour fixer les choses, prenons l’exemple d’une installation électrique domestique qui alimente la plupart de nos appareils électriques : sa fréquence est de 50 Hz ce qui veut dire que la tension et le courant, de forme sinusoïdale, se répètent 50 fois par seconde; ils changent donc de sens (on dit aussi de polarité) 100 fois par seconde. Dans ce cas précis, la période d’une onde complète est de 20 ms (1÷50Hz).

L’amplitude d’une onde est la grandeur qui caractérise son intensité. C’est la distance verticale entre un point quelconque de l’onde et sa valeur médiane (l’axe horizontal, en rouge, illustré sur la figure). Dans le cas d’un signal sinusoïdal, le point mesuré à la crête positive ou négative correspond son amplitude maximale.

La distance horizontale entre deux maxima ou deux minima consécutifs (ou plus généralement, entre deux points quelconques d’amplitude identique) représente la longueur d’onde λ d’une onde, exprimée en mètre (m) ou plus couramment, par un sous-multiple (cm ou mm). Elle représente la distance parcourue par l’onde pendant une période complète d’oscillation. La longueur d’onde est inversement proportionnelle à sa fréquence : plus la longueur d’onde est petite et plus la fréquence sera élevée, et inversement. Aussi plus la longueur d’onde sera petite, plus l’énergie de l’onde sera importante.

Fréquence et longueur d’onde sont intimement liées car leur produit est une constante appelée vitesse de la lumière c dont la valeur dans le vide est d’environ 300.000 km/s. Toujours dans le vide, la longueur d’onde λ d’une onde de fréquence f s’obtient à l’aide de l’expression suivante :

Bon à savoir…

  • Il est important de noter que la vitesse de propagation d’une onde s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu traversé (air, brique, béton, verre, plâtre, tissus biologiques, etc.) : l’onde se propagera alors à une vitesse v appelée vitesse du milieu qui sera inférieure à c.
  • La fréquence d’une onde reste inchangée lorsque celle-ci passe d’un milieu à un autre et, dans lequel la vitesse de propagation est différente. En revanche, sa longueur d’onde sera alors modifiée.

Le spectre électromagnétique

L’ensemble des fréquences électromagnétiques est appelé le spectre électromagnétique. Il couvre une large gamme de fréquences s’étendant des plus basses aux plus élevées et dont la lumière est la seule partie que les êtres humains peuvent percevoir directement. Le spectre se divise en deux parties : les rayonnements non-ionisants et les rayonnements ionisants.

Pour comprendre l’ionisation de la matière par une onde, il faut envisager le rayonnement électromagnétique non pas comme une onde se propageant (théorie ondulatoire) mais comme une émission de photons (théorie corpusculaire). On évoquera alors l’énergie des photons plutôt que la puissance de l’onde.

Un rayonnement ionisant désigne celui qui possède une énergie suffisante pour ioniser la matière (d’où le nom). Tous les rayonnements de ce type sont positionnés au-delà de la lumière visible dans le spectre électromagnétique. On y retrouve les ultraviolets, les rayons X, les rayons gamma et les rayons cosmiques. Les effets cancérigènes de ces rayonnements sur l’être humain sont connus depuis longtemps, même à faible dose.

A l’inverse, un rayonnement non-ionisant désigne un type de rayonnement pour lequel l’énergie électromagnétique transportée par chaque photon est insuffisante pour provoquer l’ionisation de la matière rencontrée. Cela signifie que le rayonnement est incapable de transformer les atomes de la matière en ions, plus instables. Parmi les rayonnements non-ionisants, on trouve les champs électromagnétiques statiques (c.à.d. de fréquence nulle – 0 Hz), les champs électromagnétiques de basses et moyennes fréquences, les ondes radio, les micro-ondes, l’infrarouge et la lumière visible. Les champs électromagnétiques de basses fréquences 50 Hz et les communications sans-fil font partie des rayonnements non-ionisants.

Références documentaires

[1] Champs électriques et magnétiques, Swissgrid AG

[2] Le champ électromagnétique, INTEFP – MSSTFP

[3] Wikipédia France

[4] Cours de physique de 1ère baccalauréat en informatique (Université Libre de Bruxelles)

[5] Cours de systèmes sensoriels et potentiels évoqués (Université catholique de Louvain)

[6] https://femto-physique.fr/electromagnetisme/

[7] https://cphysics.fandom.com/wiki/Electric_potential

[8] Belgian BioElectroMagnetics Group – FAQ sur les champs 50 Hz

[9] Les champs électromagnétiques de très basse fréquence (RTE/EDF)

[10] Les ondes électromagnétiques : innocuité ou réel danger pour la santé ? (Thèse Université de Lorraine, 2013)

[11] Champs micro-ondes et santé (Université Catholique de Louvain et Faculté Polytechnique de Mons, 1999)

[12] Les champs électromagnétiques et le réseau à haute tension (Elia)

[13] La matière (Univers astronomie – http://www.univers-astronomie.fr)