Énergie Lumineuse

 

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Le fait que la lumière transporte de l'énergie est bien illustré par les capteurs solaires, qui sont capables d'absorber le rayonnement solaire et de le transformer en électricité. Là aussi, tu peux rêver à des voitures silencieuses et non polluantes fonctionnant uniquement à l'énergie solaire. Oui mais sous quelle forme se trouve stockée l'énergie dans un rayon lumineux?

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La lumière peut être vue comme une onde électromagnétique se propageant dans le vide à une vitesse c voisine de 300.000 km par seconde. Pour expliquer ce mécanisme de propagation, il faut faire intervenir deux concepts qui sont le champ électrique E d'une part, et le champ magnétique B d'autre part. Ces deux champs oscillent avec une fréquence n dans deux plans mutuellement perpendiculaire, l'onde se déplaçant dans la direction commune aux deux plans définissant ce que l'on appelle le vecteur de poynting S:

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Les trois vecteurs E, B et S, pris dans cet ordre définissent donc un trièdre direct. Concrètement, cela signifie que si ton pouce de la main droite pointe dans la direction du champ électrique (vecteur E) et ton index dans la direction du champ magnétique (vecteur B), la lumière se propage dans la direction du majeur (vecteur S). En termes de vecteurs, on dira que le vecteur de poynting S (direction de propagation) est le produit vectoriel du champ électrique E par le champ magnétique B:

La contante e0 (permittivité du vide) est là pour que le vecteur de poynting S soit homogène à une puissance (W = J.s-1) par unité de surface. C'est lui qui indique donc dans quelle direction l'énergie se propage.

Comme la lumière ignore la différence entre champ électrique et champ magnétique, l'énergie par unité de volume u véhiculée par l'onde lumineuse se trouve équitablement répartie entre les deux champs:

où µ0 est la perméabilité du vide relié à la permittivité et à la vitesse de la lumière par la relation:

La densité d'énergie u contenue dans une onde lumineuse est donc donnée de manière équivalente par le carré du champ électrique E ou par le carré du champ magnétique B.

Toutefois la mécanique quantique et la dualité onde-corpuscule, font que la lumière peut aussi être vue comme un flux de particules, appelés photons. L'énergie véhiculée par chaque photon est alors donnée par le produit de la constante de Planck h par la fréquence n de l'onde lumineuse:

E = h×n = h×w = h×c/l   avec h = 6,626×10-34 J.s

Au lieu de la fréquence, on peut utiliser la pulsation w = 2p×n et la constante réduite de Planck h = h/2p, ou bien la longueur d'onde l = c/n. En raison de la théorie de la relativité, la masse de ces photons ne peut être que rigoureusement nulle, puisqu'ils se déplacent à la vitesse de la lumière.

Aussi incroyable que cela puisse te paraître, le fait d'avoir une masse rigoureusement nulle n'empêche nullement les photons de véhiculer une impulsion p. Il suffit pour cela de diviser l'énergie par la vitesse de lalumière: p = E/c = h×n/c. La lumière est donc capable d'exercer une pression physique sur la matière au même titre que toute particule matérielle! Tu ne me crois pas? Alors va vite lire la page oueb consacrée aux étoiles qui devrait te convaincre de l'existence réelle d'une pression de radiation.

undercon.gif (4369 octets)Cette page a été mise à jour le 19/10/99.