Quelques explications et ordres de grandeur sur les ondes

by | Mai 13, 2019

A l’aube d’un XXIème siècle connecté, il est légitime d’avoir l’impression de ne pas pouvoir échapper aux ondes émises par tous les objets communicants qui nous entourent, et naturel d’en éprouver une certaine inquiétude. Si aucun consensus ferme n’a encore été atteint en ce qui concerne le degré de dangerosité de ces ondes, leurs caractéristiques physiques sont en revanche bien connues par les scientifiques, et ce depuis plus d’un siècle. Cette notice, écrite par, n’a pas pour objet de démontrer que les ondes sont inoffensives, cette discussion sortant du domaine de compétence des physiciens. Elle a seulement pour but de démystifier les ondes, en particulier les ondes électromagnétiques utilisées dans la plupart des télécommunications, afin d’avoir des éléments objectifs pour rationaliser leur importance dans notre vie quotidienne.

Cet article a été écrit par Marie Chupeau, Docteure en physique et Data Scientist chez Magic LEMP.
Nous la remercions chaleureusement pour sa contribution.

 

1) Qu’est-ce qu’une onde?

 

Définissons tout d’abord de manière générale une onde. Il s’agit simplement d’une perturbation qui se propage. Elle peut être de natures très variées. Pour une vague sur l’eau (océan ou ondulations provoquées par la chute d’un caillou dans une étendue d’eau), la perturbation est la hauteur d’eau, qui alterne entre creux et bosses. Pour une corde d’instrument, la perturbation est l’écart de la corde à sa position au repos. Pour une hola dans un stade de football, la perturbation est simplement le fait de lever les bras. Pour un son, quelle que soit son origine, la perturbation est la compression locale de l’air. Pour une onde sismique, la perturbation est la compression locale du sous-sol et du sol. Enfin, pour la lumière, la perturbation est ce qu’on appelle un champ électromagnétique, c’est-à-dire la capacité à mettre en mouvement des objets porteurs de charge électrique. Nous reviendrons sur ce type d’ondes plus bas. 

La notion de propagation désigne juste le déplacement de cette perturbation à partir de la source de l’onde et à une certaine vitesse, qui dépend du type d’onde (de quelques mètres par seconde pour une hola à 300 000 kilomètres par seconde pour la lumière, en passant par 300 mètres par seconde pour le son dans l’air par exemple). Lorsque l’on allume sa lampe, on voit la lumière instantanément (en 10 milliardièmes de seconde !) à l’autre bout de la pièce, puisque la lumière se déplace extrêmement rapidement. En revanche, le son émis par la timbale au fond de l’orchestre mettra 50 millisecondes à parvenir au chef qui est situé à une quinzaine de mètres de lui. Ce laps de temps est parfaitement audible, et c’est pour cela que l’on demande traditionnellement aux musiciens au fond de l’orchestre d’anticiper un peu en jouant pour éviter d’entendre un petit décalage.

 Les ondes peuvent prendre différentes formes, mais la plus élémentaire est l’onde sinusoïdale représentée ci-dessous. Cette onde alterne les « creux » et les « bosses », comme ce que l’on observe avec une vague sur l’océan. Une telle onde possède deux grandeurs fondamentales, une longueur d’onde, c’est-à-dire la distance entre deux bosses successives de l’onde, et sa fréquence, c’est-à-dire le nombre de bosses de l’onde que l’on voit passer en un certain temps lors de sa propagation. Ces deux quantités ne sont pas indépendantes, leur produit est égal à la vitesse de propagation de l’onde. Plus une onde a une grande fréquence, plus sa longueur d’onde est petite et vice versa.

2) Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

 

Concentrons-nous maintenant sur les ondes électromagnétiques, puisqu’elles sont le sujet précis de cette notice. Ce type d’ondes est moins facile à appréhender que les autres ondes mentionnées, comme le son ou les vagues, puisque la perturbation qui se propage est essentiellement imperceptible pour nous. Seule une infime partie de ces ondes nous est perceptible, il s’agit de la lumière visible. L’étendue en termes de fréquence et de longueur d’onde des ondes électromagnétiques est représentée sur le spectre suivant. La partie visible du rayonnement électromagnétique est représentée par l’arc-en-ciel sur l’axe du bas.

Mais si nous ne voyons qu’une infime partie de ce spectre, de quoi est alors composé le reste du spectre de rayonnement électromagnétique ? Le tableau suivant donne un rapide aperçu des différents types d’ondes électromagnétiques.

Rayons gamma

Peu présents sur Terre car majoritairement absorbés par l’atmosphère, ils sont utilisés dans certaines technologies d’imagerie de pointe. Ce sont les rayonnements électromagnétiques avec la plus grande fréquence.

Rayons X

Également absorbés par l’atmosphère terrestre, ils sont utilisés couramment pour les radioscopies.

Ultraviolets

Quasiment intégralement stoppés par l’atmosphère, ils sont néanmoins responsables du bronzage de notre peau.

Lumière visible

Quasiment pas absorbée par l’atmosphère, la lumière visible est essentielle à la vie, notamment via la photosynthèse.

Infrarouges

Modérément absorbés par l’atmosphère, ils sont utilisés dans de nombreuses technologies, par exemple pour les caméras thermiques, les plaques vitrocéramiques, les télécommandes, etc…

Micro-ondes

Interceptées en partie par l’atmosphère, et intercalées entre les infrarouges et les ondes radiofréquences, elles sont utilisées dans le four du même nom que l’on ne présente plus.

Ondes radiofréquences

Absolument pas filtrées par l’atmosphère dans une large gamme de fréquence, elles sont utilisées massivement dans les télécommunications.

3) Une histoire d’énergie

 

Un autre type de grandeurs est important pour comprendre les ondes électromagnétiques, il s’agit de l’énergie, ou encore de la puissance (énergie par unité de temps). Elles sont directement reliées à l’amplitude de l’onde. Pour reprendre le parallèle avec les vagues, l’amplitude correspond à la différence de hauteur entre les creux et les bosses de l’onde. Plus une onde a une grande amplitude, plus l’énergie et la puissance qu’elle transporte sont élevées. Néanmoins, préciser simplement la puissance transportée par une onde ne suffit pas à la caractériser, la donnée de sa fréquence est également nécessaire. En effet, les grains élémentaires de lumière, appelés photons, transportent chacun d’autant plus d’énergie que la fréquence du rayonnement est grande (ou de manière équivalente, plus sa longueur d’onde est petite). Plus la fréquence est élevée, plus ce rayonnement est dit énergétique. Parmi le spectre présenté ci-dessus, les rayons gamma sont les ondes électromagnétiques les plus énergétiques, et les ondes radiofréquences les moins énergétiques.

Illustrons de manière naïve en quoi cette subtilité entre énergie totale et énergie élémentaire est importante. Imaginez que l’on vous lance dessus, en continu et à une vitesse donnée, une balle de ping pong par seconde. Ce flux de balles de ping pong a une certaine puissance. Répartissons maintenant cette puissance différemment, en envoyant cette fois des balles de tennis, en continu et avec la même vitesse que précédemment. Une balle de tennis pesant environ quinze fois plus qu’une balle de ping pong, il faut en envoyer quinze fois moins souvent que précédemment pour avoir la même puissance, c’est-à-dire une toutes les quinze secondes. Au bout d’une minute, vous aurez reçu la même quantité d’énergie de la part de ces deux flux de balles, puisqu’ils ont la même puissance, mais on imagine aisément que la sensation entre recevoir une balle de ping pong toutes les secondes ou une balle de tennis toutes les quinze secondes n’est pas la même !

4) Que devient l’onde électromagnétique lorsqu’elle se propage ?

 

Mis à part si elle est canalisée, une onde, de quelque nature qu’elle soit, se « dilue » lorsqu’elle se propage. L’immense majorité du temps, les ondes électromagnétiques se propagent tout autour de leur source et ont donc une amplitude qui décroît plus la distance à la source est grande.

On peut s’en convaincre en pensant à l’onde qui se forme lorsque l’on jette une pierre dans une étendue d’eau. La hauteur des vaguelettes est d’autant moins grande que l’on s’éloigne du point d’impact de la pierre. De même, vous savez que plus vous parlez loin d’une personne, plus vous devez parler fort pour qu’elle vous entende, car le son s’est dilué avec la distance. Il en va de même pour la lumière. Vous serez beaucoup plus ébloui si vous regardez une bougie de près que si vous la regardez à un mètre. Cette atténuation, que l’on qualifie de géométrique, ne dépend que de la propagation et pas du type d’onde, ni de sa puissance, ni de sa fréquence. A titre indicatif, une onde à un mètre de sa source voit sa puissance déjà atténuée d’un facteur douze environ. A deux mètres, sa puissance est atténuée d’un facteur cinquante, etc… Ce facteur de dilution croît très rapidement avec la distance, ce qui explique par exemple pourquoi téléphoner avec des écouteurs permet de recevoir beaucoup moins d’ondes que lorsque l’on colle son téléphone à son oreille.

Une autre cause d’atténuation de l’amplitude d’une onde est son passage à travers un milieu qui l’absorbe. Nous avons par exemple déjà mentionné le fait que l’atmosphère absorbe une partie significative du rayonnement provenant de l’espace. On peut également songer au fait qu’il est souvent impossible de passer un coup de téléphone lorsque l’on est dans un parking souterrain.

5) Les sources d’ondes électromagnétiques.

 

La réponse va peut-être vous surprendre : absolument tout ce qui vous entoure émet un rayonnement électromagnétique. Chaque objet émet un rayonnement qui ne dépend en première approximation que de sa température. Plus la température est haute, plus la longueur d’onde où l’émission est maximale est faible. Encore une fois, vous connaissez une manifestation de ce phénomène physique, au travers par exemple de l’aspect du fer que l’on chauffe. Non lumineux à température ambiante, il devient rougeoyant puis jaune lorsque sa température s’élève progressivement, jusqu’à devenir blanc lumineux lorsque sa température augmente encore. En effet, à température ambiante, un corps émet majoritairement dans l’infrarouge, invisible pour les yeux, mais visible sur une caméra infrarouge. Puis plus sa température augmente, plus le maximum d’émission du corps se déplace vers les petites longueurs d’onde, jusqu’à atteindre le domaine visible.

Il existe d’autres mécanismes d’émission de rayonnement électromagnétique, par exemple celui utilisé par les antennes, mais ce rayonnement d’origine thermique (lié à la température des corps) a pour conséquence de nous faire baigner en continu dans un rayonnement électromagnétique. Vous appréciez un rayon de Soleil qui vous réchauffe ? Votre peau a bronzé ? Vous arrivez à sentir la chaleur corporelle de quelqu’un en vous approchant sans pour autant le toucher ? Tout cela provient d’un rayonnement électromagnétique naturel, soit issu du Soleil, soit issu d’un être vivant.

6) Quelques ordres de grandeur

 Donnons enfin quelques ordres de grandeur des puissances de différents rayonnements électromagnétiques auxquels nous sommes soumis, naturels ou artificiels, afin de pouvoir comparer leur importance relative. 

  • La première source de rayonnement électromagnétique dans nos vies est bien sûr le Soleil. Après passage dans l’atmosphère, ce rayonnement a une puissance par unité de surface d’environ 500 W/m2.
  • Ensuite, un corps humain, dont la température de surface est aux alentours de 20°C, émet environ 450 W/m2 lorsqu’on se place très près de lui.
  • Regardons enfin ce qu’émet un appareil type iPad (pour plus de détails, voir le document suivant). Le site du constructeur indique pour le débit d’absorption spécifique, c’est-à-dire la puissance reçue par unité de masse corporelle, des valeurs ne dépassant pas 1 W/kg, soit une centaine de W/m2, c’est-à-dire sensiblement moins que le rayonnement d’origine solaire ou issu de tous les objets qui nous entourent et qui sont à température ambiante.

 De plus, il est explicitement écrit dans cette documentation technique que cette valeur a été mesurée pour une utilisation contre le corps. Or souvenons-nous de ce qui a été discuté au paragraphe 6 : une onde électromagnétique se propageant librement s’atténue toujours. Pour une utilisation de l’iPad posé sur un pupitre à un petit mètre, la puissance reçue est déjà dix fois plus petite que si on l’utilise contre son corps. 

 

 

Récapitulons ce que nous avons vu dans ce article. Tout d’abord, ce qu’on appelle de manière vague « les ondes » en parlant des télécommunications sont en réalité des ondes électromagnétiques. Ces ondes électromagnétiques sont pour la plupart imperceptibles pour nous, sauf dans le domaine visible. N’oublions donc pas que la lumière et les ondes radiofréquences sont de même nature, même si les propriétés des ondes électromagnétiques dépendent de leur fréquence.

Tout corps chauffé (y compris à température ambiante) émet des ondes électromagnétiques, et la première source de rayonnement électromagnétique sur Terre reste le Soleil. Même un corps humain émet plus de rayonnement qu’un iPad à pleine puissance.

La distance à la source de l’onde électromagnétique a un impact très fort sur la puissance de l’onde que l’on reçoit. En s’éloignant ne serait-ce que d’un mètre d’une source (par exemple un iPad sur un pupitre), on est soumis à une puissance environ 12 fois moindre qu’au contact direct avec la source. A noter également que même au contact de l’iPad, la puissance reçue est inférieure à la puissance maximale réglementaire.

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