Mardi 15 Mars 2011 14: 46

Le spectre électromagnétique : caractéristiques physiques de base

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La forme d'énergie électromagnétique la plus connue est la lumière du soleil. La fréquence de la lumière solaire (lumière visible) est la ligne de démarcation entre les rayonnements ionisants plus puissants (rayons X, rayons cosmiques) à des fréquences plus élevées et les rayonnements non ionisants plus bénins à des fréquences plus basses. Il existe un spectre de rayonnements non ionisants. Dans le contexte de ce chapitre, à l'extrémité supérieure juste en dessous de la lumière visible se trouve le rayonnement infrarouge. En dessous se trouve la large gamme de fréquences radio, qui comprend (par ordre décroissant) les micro-ondes, la radio cellulaire, la télévision, la radio FM et la radio AM, les ondes courtes utilisées dans les appareils de chauffage diélectriques et par induction et, à l'extrémité inférieure, les champs à fréquence industrielle. Le spectre électromagnétique est illustré à la figure 1. 

Figure 1. Le spectre électromagnétique

ELF010F1

Tout comme la lumière visible ou le son imprègne notre environnement, l'espace où nous vivons et travaillons, il en va de même pour les énergies des champs électromagnétiques. De plus, tout comme la majeure partie de l'énergie sonore à laquelle nous sommes exposés est créée par l'activité humaine, les énergies électromagnétiques le sont aussi : des faibles niveaux émis par nos appareils électriques quotidiens - ceux qui font fonctionner nos postes de radio et de télévision - aux niveaux élevés niveaux que les médecins appliquent à des fins bénéfiques, par exemple, la diathermie (traitements thermiques). En général, la force de ces énergies diminue rapidement avec la distance de la source. Les niveaux naturels de ces champs dans l'environnement sont faibles.

Le rayonnement non ionisant (NIR) intègre tous les rayonnements et champs du spectre électromagnétique qui n'ont pas assez d'énergie pour produire l'ionisation de la matière. C'est-à-dire que le NIR est incapable de transmettre suffisamment d'énergie à une molécule ou à un atome pour perturber sa structure en supprimant un ou plusieurs électrons. La frontière entre le NIR et le rayonnement ionisant est généralement fixée à une longueur d'onde d'environ 100 nanomètres.

Comme pour toute forme d'énergie, l'énergie NIR a le potentiel d'interagir avec les systèmes biologiques, et le résultat peut être sans importance, peut être nocif à différents degrés ou peut être bénéfique. Avec les radiofréquences (RF) et les rayonnements micro-ondes, le principal mécanisme d'interaction est le chauffage, mais dans la partie basse fréquence du spectre, les champs de haute intensité peuvent induire des courants dans le corps et donc être dangereux. Les mécanismes d'interaction pour les intensités de champ de bas niveau sont cependant inconnus.

 

 

 

 

 

 

 

 

Quantités et unités

Les champs à des fréquences inférieures à environ 300 MHz sont quantifiés en termes d'intensité de champ électrique (E) et l'intensité du champ magnétique (H). E est exprimé en volts par mètre (V/m) et H en ampères par mètre (A/m). Les deux sont des champs vectoriels, c'est-à-dire qu'ils sont caractérisés par l'amplitude et la direction à chaque point. Pour la gamme des basses fréquences, le champ magnétique est souvent exprimé en termes de densité de flux, B, avec l'unité SI tesla (T). Lorsque les champs de notre environnement quotidien sont discutés, la sous-unité microtesla (μT) est généralement l'unité préférée. Dans certaines publications, la densité de flux est exprimée en gauss (G), et la conversion entre ces unités est (pour les champs dans l'air):

1 10 T = XNUMX XNUMX4 G ou 0.1 μT = 1 mG et 1 A/m = 1.26 μT.

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Le terme radiation signifie simplement l'énergie transmise par les ondes. Les ondes électromagnétiques sont des ondes de forces électriques et magnétiques, où un mouvement ondulatoire est défini comme la propagation de perturbations dans un système physique. Une modification du champ électrique s'accompagne d'une modification du champ magnétique et inversement. Ces phénomènes ont été décrits en 1865 par JC Maxwell dans quatre équations connues sous le nom d'équations de Maxwell.

Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par un ensemble de paramètres qui incluent la fréquence (f), longueur d'onde (λ), intensité du champ électrique, intensité du champ magnétique, polarisation électrique (P) (la direction de la E champ), vitesse de propagation (c) et vecteur de Poynting (S). Figure 2  illustre la propagation d'une onde électromagnétique dans l'espace libre. La fréquence est définie comme le nombre de changements complets du champ électrique ou magnétique en un point donné par seconde, et est exprimée en hertz (Hz). La longueur d'onde est la distance entre deux crêtes ou creux consécutifs de l'onde (maxima ou minima). La fréquence, la longueur d'onde et la vitesse des ondes (v) sont interdépendants comme suit :

v = f λ

Figure 2. Une onde plane se propageant à la vitesse de la lumière dans la direction x

ELF010F2

La vitesse d'une onde électromagnétique dans l'espace libre est égale à la vitesse de la lumière, mais la vitesse dans les matériaux dépend des propriétés électriques du matériau, c'est-à-dire de sa permittivité (ε) et de sa perméabilité (μ). La permittivité concerne les interactions du matériau avec le champ électrique, et la perméabilité exprime les interactions avec le champ magnétique. Les substances biologiques ont des permittivités qui diffèrent considérablement de celles de l'espace libre, dépendant de la longueur d'onde (en particulier dans la gamme RF) et du type de tissu. La perméabilité des substances biologiques, cependant, est égale à celle de l'espace libre.

Dans une onde plane, comme illustré à la figure 2 , le champ électrique est perpendiculaire au champ magnétique et la direction de propagation est perpendiculaire à la fois aux champs électrique et magnétique.

 

 

 

Pour une onde plane, le rapport de la valeur de l'intensité du champ électrique à la valeur de l'intensité du champ magnétique, qui est constant, est appelé impédance caractéristique (Z):

Z = E/H

Dans l'espace libre, Z= 120π ≈ 377Ω mais sinon Z dépend de la permittivité et de la perméabilité du matériau traversé par l'onde.

Le transfert d'énergie est décrit par le vecteur de Poynting, qui représente l'amplitude et la direction de la densité de flux électromagnétique :

S = E x H

Pour une onde se propageant, l'intégrale de S sur toute surface représente la puissance instantanée transmise à travers cette surface (densité de puissance). La magnitude du vecteur de Poynting est exprimée en watts par mètre carré (W/m2) (dans certaines publications, l'unité mW/cm2 est utilisé - la conversion en unités SI est de 1 mW/cm2 = 10 W / m2) et pour les ondes planes est liée aux valeurs des champs électrique et magnétique :

S = E2 / 120π = E2 / 377

et

S =120π H2 = 377 H2

Toutes les conditions d'exposition rencontrées en pratique ne peuvent pas être représentées par des ondes planes. Aux distances proches des sources de rayonnement radiofréquence, les relations caractéristiques des ondes planes ne sont pas satisfaites. Le champ électromagnétique rayonné par une antenne peut être divisé en deux régions : la zone de champ proche et la zone de champ lointain. La frontière entre ces zones est généralement fixée à :

r = 2a2 /

De a est la plus grande dimension de l'antenne.

Dans la zone de champ proche, l'exposition doit être caractérisée à la fois par les champs électriques et magnétiques. Dans le champ lointain, l'un d'entre eux suffit, car ils sont liés par les équations ci-dessus impliquant E et H. En pratique, la situation de champ proche est souvent réalisée à des fréquences inférieures à 300 Mhz.

L'exposition aux champs RF est encore compliquée par les interactions des ondes électromagnétiques avec les objets. En général, lorsque des ondes électromagnétiques rencontrent un objet, une partie de l'énergie incidente est réfléchie, une partie est absorbée et une partie est transmise. Les proportions d'énergie transmise, absorbée ou réfléchie par l'objet dépendent de la fréquence et de la polarisation du champ ainsi que des propriétés électriques et de la forme de l'objet. Une superposition des ondes incidentes et réfléchies entraîne des ondes stationnaires et une distribution de champ spatialement non uniforme. Comme les ondes sont totalement réfléchies par les objets métalliques, des ondes stationnaires se forment à proximité de ces objets.

Étant donné que l'interaction des champs RF avec les systèmes biologiques dépend de nombreuses caractéristiques de champ différentes et que les champs rencontrés dans la pratique sont complexes, les facteurs suivants doivent être pris en compte dans la description des expositions aux champs RF :

  • si l'exposition se produit dans la zone de champ proche ou lointain
  • si champ proche, alors les valeurs pour les deux E et H sont nécessaires; si champ lointain, alors soit E or H
  • variation spatiale de l'amplitude du ou des champs
  • la polarisation du champ, c'est-à-dire la direction du champ électrique par rapport à la direction de propagation des ondes.

 

Pour l'exposition aux champs magnétiques basse fréquence, il n'est toujours pas clair si l'intensité du champ ou la densité de flux est la seule considération importante. Il peut s'avérer que d'autres facteurs sont également importants, comme le temps d'exposition ou la rapidité des changements de champ.

Le terme Champ électromagnétique (EMF), tel qu'il est utilisé dans les médias d'information et la presse populaire, fait généralement référence aux champs électriques et magnétiques à l'extrémité basse fréquence du spectre, mais il peut également être utilisé dans un sens beaucoup plus large pour inclure l'ensemble du spectre de un rayonnement électromagnétique. Notez que dans la gamme des basses fréquences, E et B les champs ne sont pas couplés ou interdépendants de la même manière qu'ils le sont à des fréquences plus élevées, et il est donc plus exact de les appeler « champs électriques et magnétiques » plutôt que champs électromagnétiques.

 

Noir

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