- Champ électromagnétique
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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
est le champ électrique et 
est le champ magnétique. Le champ électromagnétique est l'ensemble 
.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.
Sommaire
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'})](1/3912d9bc2a84f948179f97636f34f4a4.png)
Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :
et 
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.
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)
- Le Vecteur de Poynting permet de représenter la densité surfacique d'énergie d'une onde
- La puissance globale contenue dans un champ électromagnétique peut aussi s’exprimer en watts (W).
Autres propriétés
La polarisation : orientation du champ électrique dans le rayonnement
La modulation :
- d’amplitude (AM),
- de fréquence (FM),
- par impulsions (PW),
- pas de modulation = émission continue (CW)
Lorsque l’émission est modulée, il faut différencier la puissance maximale, appelée puissance-crête, et la puissance moyenne résultant de la modulation. Par exemple, dans une émission radar avec des impulsions d’une durée de 1 ms toutes les secondes, la puissance moyenne est 1000 fois inférieure à la puissance-crête dans l’impulsion.
Exposition aux champs électromagnétiques
Article connexe : Pollution électromagnétique.Les champs électromagnétiques peuvent avoir une influence sur les équipements (on parlera de compatibilité électromagnétique) et sur la santé des personnes (on parlera de pollution électromagnétique).[réf. nécessaire]
Des réglementations spécifiques ont été adoptées dans la plupart des pays pour limiter les expositions aux champs électromagnétiques, aussi bien pour les équipements (directive CEM en Europe) que pour les personnes (recommandation 1999/519/CE et directive 2004/40/CE en Europe).
Toutefois, pour l’exposition aux personnes, des études contradictoires cherchent à démontrer la nocivité ou non de certains champs électromagnétiques. A ce jour, il est recommandé, par principe de précaution, de limiter l’exposition des personnes à risques, tels les femmes enceintes, les enfants, ainsi que les personnes « électrosensibles ». Les principales sources à éviter sont les lignes hautes tension, les IRM, et tout émetteur radiofréquence (GSM, 3G, Wifi...).
Utilisation industrielle et prospective
- Des générateurs d'impulsion électromagnétique (IEM) permettent d'élargir ou resserrer des tuyaux en aluminium
- Comme alternative à la découpe laser (lente, très consommatrice d'énergie et polluant l'air quand elle vaporise le métal), des procédés innovants[1] utilisent une puissante impulsion électromagnétique pour découper ou percer des métaux très durs (tôles de carrosseries pour voiture par exemple, expérimentalement encore) ; 200 millisecondes suffisent pour percer un trou, contre 1,4 seconde pour le laser dans un même acier (7 fois moins rapide et le trou n'est pas net). Une puissante bobine transforme une énergie pulsée en champ magnétique qui expulse littéralement la surface à découper hors de la tôle (pression équivalente à 3500 bars environ).
Notes et références
- Institut Fraunhofer de recherche sur les machines-outils et les techniques de transformation (IWU) de Chemnitz (Saxe), http://www.univ-valenciennes.fr/stimat/pdf/03-2010StimatDecoupeparchampelectromagnetique.pdf
Articles connexes
Liens externes
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