Electromagnétisme et Optique Physique UE 32C

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Electromagnétisme
et Optique Physique
UE 32C
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Travaux Pratiques
L2
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PC
option Chimie

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ELECTROMAGNETISME
OPTIQUE PHYSIQUE
Rappels de Cours :
1 – Généralités p 3
2 – Interférences p 5
3 – Diffraction p 7
Manipulations : p 12
1 – Champs magnétiques créés par les courants p 14
2 – Dispositifs de Fresnel p 18
3 – Interféromètre de Michelson en Ondes centimétriques p 20
4 – Diffraction par des fentes (lumière visible) p 22
5 – Réseaux p 24
6 –Spectrométrie p 26
Illustrations couleur, 4e de couverture
Spectres d’émission et d’absorption

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FONCTIONNEMENT DES TRAVAUX PRATIQUES
Deux cycles de trois TP « tournants »
1er cycle : Champs et interférences
2e cycle : Diffraction
Dates 18/11
15h-18h
25/11
15h-18h
27/11
9h-12h
2/12
15h-18h
4/12
9h-12h
9/12
15h-18h
11/12
9h-12h
Série 1 Série 2 Examen
LES TP doivent être PREPARES :
 cours connu,
 TD révisés,
 recherches sur internet pour les points non connus,
 documentation sur les appareillages et leurs usages, etc….
Certaines parties des rappels de cours et illustrations sont tirés de l’encyclopédie libre « Wikipédia »
Voir aussi, entre autres ressources accessibles sur internet, les cours en ligne sur le site de
l’université de Nantes : www.sciences.univ-nantes.fr/physique
et ceux du site de l’université du Mans : www.univ-lemans.fr/enseignements/

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OPTIQUE PHYSIQUE : RAPPELS DE COURS
I- GENERALITES
Historique
D'un point de vue historique la diffraction a été découverte avec la lumière en 1665 par Grimaldi. Elle
fut interprétée correctement comme un comportement ondulatoire par Huygens, puis étudiée par
Fresnel et Fraunhofer (1820) suite aux expériences de Young (trous d'Young - 1804).
Pour des raisons historiques, on distingue encore la diffraction des interférences alors qu'il n'y a pas
lieu de le faire : on classe sous l’appellation « diffraction » le cas d’interférences par un grand nombre
de sources. La réciproque n'est pas vraie, il y a interférences sans diffraction dans le cas des
interférences par division d'amplitude : coin d'air, anneaux de Newton, Perrot-Fabry….
Interférences
En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent.
Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais il s'obtient également avec
d'autres types d'ondes (sonores, électromagnétiques, …). L’observation d’interférences peut paraître
contradictoire avec la loi de l’optique géométrique qui dit que les rayons lumineux issus de plusieurs
sources se propagent indépendamment les uns des autres. De fait, deux grandeurs délimitent
l’observation ou non de la diffraction : la cohérence des faisceaux et l’échelle d’observation . Pour que
la diffraction soit clairement visible, il faut que la taille des objets soit du même ordre de grandeur
que la longueur d’onde.
Théorie de la diffraction : Principe de Huygens-Fresnel
Soit une onde monochromatique incidente sur une ouverture. D'après le principe de Huygens-Fresnel,
tout élément de surface de l'ouverture peut être considéré comme une source secondaire, se
propageant de proche en proche (Huygens, 1678) et l'amplitude de l'onde émise par cette source
secondaire est proportionnelle à la somme de chacun des éléments de surface de l'onde incidente
(Fresnel, 1829). Les ondes émises par ces différentes sources interfèrent entre elles pour donner
l'onde diffractée.
Diffraction de Fresnel – Diffraction de Fraunhofer
En optique et électromagnétisme, la diffraction de Fresnel (diffraction en champ proche ou
approximation de Fresnel) est une description en champ proche du phénomène de diffraction qui
apparaît lorsqu'une onde diffracte à travers une ouverture ou autour d'un objet. Chaque point de
l’objet diffractant est considéré comme une source secondaire émettant une onde sphérique.
Lorsque la distance augmente, c'est à dire lorsqu'on se place en champ lointain, le rayon de courbure
des ondes sortantes diffractées devient très grand, si bien que ces ondes peuvent être approximées
par des ondes planes: c'est la diffraction de Fraunhofer.

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Ondes électromagnétiques - Polarisation
Toute onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l'analyse spectrale ; on peut décomposer une
onde quelconque en une somme d'ondes monochromatiques. Une OEM qui se propage, est constituée
d'un champ électrique et d'un champ magnétique tous deux perpendiculaires à la direction de
propagation :
onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique.
Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant,
ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome
intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).
Les variations des champs électrique et magnétique sont liées par les équations de Maxwell, on peut
donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique. On peut alors écrire
l'équation générale d'une onde plane monochromatique :
où est le vecteur position du point considéré, φ est la phase à l'origine,
est le vecteur d'onde dont la norme vaut 2π/λ1, λ étant la longueur d'onde.
On utilise aussi fréquemment la forme complexe :
On obtient les grandeurs physiques, réelles, en prenant la partie réelle de cette forme complexe.
La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique . Le cas le plus simple
est celui d'une onde plane, qui est une bonne approximation de la plupart des ondes lumineuses. Dans le
cas d’une polarisation rectiligne, E (et donc B) reste dans un même plan (cf fig ci-dessus); sinon, le
vecteur E tourne autour de l’axe k pendant que l’onde se propage.
Pour une onde non polarisée, ou naturelle, tourne autour de son axe de façon aléatoire et
imprévisible au cours du temps. Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au
champ électrique. La plupart des sources lumineuses (soleil, filament incandescent…) émettent en fait
des trains d’onde successifs décorrélés les uns des autres, de sorte qu’il n’y a ni cohérence de phase, ni
constance de la direction de polarisation, sur plus de quelques nanosecondes.
La notion d'onde électromagnétique est complémentaire de celle de photon. En fait, l'onde fournit une
description plus pertinente de la radiation pour les faibles fréquences (c'est-à-dire les grandes
longueurs d'onde) comme les ondes radio.
En fait, l'onde électromagnétique représente deux choses :
 la variation macroscopique du champ électrique et du champ magnétique ;
 la fonction d'onde du photon: l'intensité de l'onde est la probabilité de présence d'un photon.
Lorsque le flux d'énergie est grand devant l'énergie des photons, on peut considérer que l'on a un flux
quasi-continu de photons, et les deux notions se recouvrent. Ceci n'est plus vrai lorsque le flux
d'énergie est faible (on envoie les photons un par un), la notion de « variation macroscopique »
(moyenne) n'a alors plus de sens. Chaque photon « emporte » une quantité d'énergie déterminée, valant
E = h·ν, h étant la constante de Planck et ν la fréquence.