Un champ électromagnétique ou Champ EM (en anglais, electromagnetic field ou EMF) 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.

Orientation d'un solénoïde mobile en fonction du champ magnétique terrestre.

Une particule de charge q et de vecteur vitesse ${\displaystyle {\vec {v}}}$ subit une force qui s'exprime par :

${\displaystyle {\vec {F}}=q\;({\vec {E}}+{\vec {v}}\land {\vec {B}})}$

où ${\displaystyle {\vec {E}}}$ est le champ électrique et ${\displaystyle {\vec {B}}}$ est le champ magnétique. Le champ électromagnétique est l'ensemble ${\displaystyle ({\vec {E}},\ {\vec {B}})}$.

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'une 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.

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.

Cependant, depuis la définition qu'en donnent les équations de Maxwell et depuis l'interprétation d'Einstein, contrairement aux champs électriques et magnétiques qui peuvent être statiques par rapport à un référentiel correctement choisi, la particularité caractéristique du champ électromagnétique est toujours d'être sujet à propagation, à la vitesse de la lumière, quel que soit le référentiel choisi.

Dans le cadre de la relativité galiléenne, si on considère deux référentiels d'étude galiléens (R) et (R'), avec (R') 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 :

${\displaystyle q[{\vec {E}}+({\vec {v'}}+{\vec {V}})\land {\vec {B}}]=q({\vec {E'}}+{\vec {v'}}\land {\vec {B'}})}$

Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :

${\displaystyle {\vec {B'}}={\vec {B}}}$ et ${\displaystyle {\vec {E'}}={\vec {E}}+{\vec {V}}\land {\vec {B}}}$

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.

Les rayonnements ionisants de haute fréquence (X et gamma) peuvent arracher des électrons aux atomes et aux molécules (ionisations), facteurs cancérigènes.

Les rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges (300 GHz - 385 THz)^[1] peuvent modifier les niveaux d'énergie au niveau des liaisons au sein des molécules.

Intensité et puissance

L’intensité d’un champ est exprimée à l’aide de différentes unités :

• pour le champ électrique, le volt par mètre (V/m)
• pour le champ magnétique, le tesla (T) (1 T = 1 Wb m⁻² = 1 kg s⁻² A⁻¹).

• 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 :

${\displaystyle DSP=E\times H={\frac {E^{2}}{377}}=377\times H^{2}}$, ou encore : ${\displaystyle E={\sqrt {377\times DSP}}}$

• 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),
• de phase (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

Les champs électromagnétiques peuvent avoir une influence non désirée sur certains équipements électriques ou électroniques (on parlera de compatibilité électromagnétique) et sur la santé des personnes, la faune ou l'environnement (on parlera alors de pollution électromagnétique)^[2]

Des réglementations spécifiques ont été adoptées dans la plupart des pays pour limiter les expositions aux champs électromagnétiques ; pour les équipements (directive CEM en Europe) et pour les personnes (recommandation 1999/519/CE et directive 2004/40/CE en Europe).

Dans le monde, l'exposition des personnes et de l'environnement et les facteurs de risques font depuis les années 1960 l'objet d'études, contradictoire, portant sur l'étude sur le degré potentiel de nocivité ou non nocivité de certains champs électromagnétiques. À ce jour, il est recommandé, par principe de précaution, de limiter l’exposition des personnes à risque, tels les femmes enceintes, les enfants, ainsi que les personnes « électrosensibles »^[3]. Les principales sources à éviter sont les lignes haute-tension, les IRM, et tout émetteur radiofréquence (GSM, 3G, Wi-Fi...).

Pour améliorer la connaissance et le contrôle de l'exposition du public, en France, à la suite des lois Grenelle 1 et Grenelle 2, un décret du 1^er décembre 2011 impose aux gestionnaires du réseau public de transport d'électricité un contrôle et des mesures des ondes électromagnétiques produites par les lignes électriques à très haute tension (THT), lors de toute mise (ou remise) en service d'une ligne.

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^[4] utilisent une puissante impulsion électromagnétique pour découper ou percer des métaux très durs (tôles de carrosserie 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

Voir aussi