Première Bac Pro ERA-MA (Grpt 3) | Physique – Ondes | Spectre électromagnétique
Dernière mise à jour : 6 août 2026, 19:31
Objectifs du chapitre
Connaître la relation entre longueur d'onde, fréquence et célérité : \(\lambda = \dfrac{c}{f}\)
Décrire le spectre électromagnétique et ses différents domaines
Identifier des sources et détecteurs d'ondes EM dans la vie courante
Situer le domaine visible dans le spectre
Situation professionnelle — Séchage UV et éclairage LED dans l'atelier
Un menuisier agenceur utilise deux technologies dans son atelier : une lampe UV pour le séchage rapide de vernis en 3 secondes et des LED pour l'éclairage. Ces deux sources émettent des ondes électromagnétiques de longueurs d'onde très différentes. Comprendre le spectre électromagnétique permet de choisir les bons équipements, d'utiliser les protections adaptées et d'intégrer des solutions domotiques (capteurs IR, Wi-Fi) dans les projets d'agencement.
1. Situation professionnelle
Contexte : Séchage UV de vernis en atelier
Un menuisier agenceur utilise une lampe UV pour le séchage rapide de vernis sur des panneaux de bois. Ce type de séchage utilise des rayons ultraviolets, une onde électromagnétique invisible à l'oeil nu, pour polymériser (durcir) le vernis en quelques secondes au lieu de plusieurs heures. Comprendre la nature de ces ondes et les précautions à prendre est essentiel pour travailler en sécurité.
Les ondes électromagnétiques sont omniprésentes dans les métiers de l'agencement :
Séchage UV de vernis et colles (ultraviolets)
Détecteurs IR de mouvement dans les projets de domotique et d'agencement intérieur
Communication Wi-Fi et Bluetooth sur les chantiers (micro-ondes)
Télécommandes infrarouges pour l'éclairage et les stores
Puces RFID pour le suivi des pièces en production
2. Nature des ondes électromagnétiques
2.1. Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?
Définition
Une onde électromagnétique (OEM) est une perturbation qui se propage dans l'espace en transportant de l'énergie, sans nécessiter de support matériel. Elle est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique oscillants, perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation.
Une onde EM associe un champ électrique \(\vec{E}\) (rouge) et un champ magnétique \(\vec{B}\) (bleu) qui oscillent dans deux plans perpendiculaires, en se propageant à la vitesse \(c\).
Propriété
Les ondes EM se propagent dans le vide et dans certains milieux matériels
Dans le vide, toutes les ondes EM se propagent à la même vitesse : la vitesse de la lumière \(c = 3 \times 10^8\) m/s
Elles transportent de l'énergie (c'est ainsi que le Soleil nous éclaire et nous chauffe)
2.2. Caractéristiques d'une onde EM
Définitions
La longueur d'onde \(\lambda\) (lambda) est la distance parcourue par l'onde pendant une période. Elle s'exprime en mètres (m)
La fréquence \(f\) est le nombre d'oscillations par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz)
La période \(T\) est la durée d'une oscillation : \(T = \dfrac{1}{f}\). Elle s'exprime en secondes (s)
La longueur d'onde \(\lambda\) se lit sur l'onde : c'est la distance entre deux crêtes successives (une oscillation complète).
Relation fondamentale
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
\(\lambda\) : longueur d'onde, en m
\(c\) : célérité de la lumière dans le vide, \(c = 3 \times 10^8\) m/s
\(f\) : fréquence, en Hz
Attention
Plus la fréquence est grande, plus la longueur d'onde est petite (et inversement)
Les longueurs d'onde sont souvent exprimées en nanomètres (nm) pour le domaine visible : \(1 \text{ nm} = 10^{-9}\) m
Les fréquences peuvent être très grandes : on utilise les préfixes kHz (\(10^3\)), MHz (\(10^6\)), GHz (\(10^9\)), THz (\(10^{12}\))
Application
Une lampe UV utilisée pour le séchage de vernis en atelier émet des rayons de longueur d'onde 365 nm. Calculer la fréquence de ces rayons (\(c = 3 \times 10^8\) m/s).
Cette fréquence est dans le domaine UV, juste au-delà du violet visible (400 nm).
Exemple : Fréquence du Wi-Fi
Le Wi-Fi fonctionne à une fréquence de 2,4 GHz.
\(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3 \times 10^8}{2{,}4 \times 10^9} = 0{,}125\) m = 12,5 cm
C'est une micro-onde de 12,5 cm de longueur d'onde.
3. Le spectre électromagnétique
3.1. Les différents domaines
Le spectre électromagnétique classe les ondes EM par ordre de longueur d'onde croissante — donc, puisque \(\lambda = \dfrac{c}{f}\), par ordre de fréquence décroissante :
3.2. Tableau récapitulatif
Domaine
Longueur d'onde
Sources
Détecteurs
Applications
Gamma (γ)
< 0,01 nm
Noyaux radioactifs
Compteur Geiger
Médecine (radiothérapie)
Rayons X
0,01 – 10 nm
Tube à rayons X
Film photo, capteur
Radiographie, contrôle
Ultraviolets (UV)
10 – 400 nm
Soleil, lampes UV
Capteur UV
Séchage vernis, stérilisation
Visible
400 – 800 nm
Soleil, lampes, LED
Oeil, capteur CCD
Éclairage, vision
Infrarouge (IR)
800 nm – 1 mm
Corps chauds, LED IR
Capteur IR, caméra thermique
Télécommande, détection
Micro-ondes
1 mm – 30 cm
Magnétron, antenne
Antenne réceptrice
Wi-Fi, Bluetooth, four
Ondes radio
> 30 cm
Émetteur radio, antenne
Antenne, récepteur radio
Radio FM, TV, RFID
Application — Identifier un domaine du spectre
Le four à micro-ondes de la salle de pause de l'atelier émet un rayonnement de longueur d'onde \(\lambda = 12\) cm. À quel domaine du spectre appartient ce rayonnement ? Calculer sa fréquence (\(c = 3 \times 10^8\) m/s).
\(\lambda = 12\) cm \(= 0{,}12\) m. D'après le tableau (1 mm – 30 cm), ce rayonnement appartient au domaine des micro-ondes.
C'est bien la fréquence typique d'un four à micro-ondes (≈ 2,45 GHz).
4. Le domaine visible
Définition
Le domaine visible est la partie du spectre électromagnétique que l'oeil humain peut percevoir. Il s'étend d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).
Couleur
Longueur d'onde (nm)
Fréquence (THz)
Violet
400 – 450
670 – 750
Bleu
450 – 495
605 – 670
Vert
495 – 570
525 – 605
Jaune
570 – 590
510 – 525
Orange
590 – 620
485 – 510
Rouge
620 – 800
375 – 485
Exemple : Longueur d'onde d'une LED verte
Une LED verte émet à une longueur d'onde de 530 nm. Calculons sa fréquence.
\(\lambda = 530 \text{ nm} = 530 \times 10^{-9}\) m
\(f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3 \times 10^8}{530 \times 10^{-9}} = 5{,}66 \times 10^{14}\) Hz = 566 THz
Application — Couleur d'une LED de signalisation
Une LED rouge d'un bandeau de signalisation posé dans un agencement de magasin émet à la longueur d'onde \(\lambda = 660\) nm. À quelle couleur du spectre visible correspond cette longueur d'onde ? Calculer sa fréquence.
D'après le tableau des couleurs, 660 nm est compris entre 620 et 800 nm : c'est la couleur rouge (l'énoncé est cohérent avec l'aspect de la LED).
\(\lambda = 660\) nm \(= 660 \times 10^{-9}\) m.
\(f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3 \times 10^8}{660 \times 10^{-9}} = 4{,}55 \times 10^{14}\) Hz = 455 THz, bien dans l'intervalle du rouge (375 – 485 THz).
5. Applications professionnelles
5.1. Séchage UV de vernis
Comment fonctionne le séchage UV ?
Le vernis UV contient des photo-initiateurs qui réagissent sous l'action des rayons ultraviolets. Lorsque le vernis est exposé à une lampe UV (longueur d'onde 200-400 nm), les photo-initiateurs déclenchent une réaction de polymérisation rapide : le vernis durcit en quelques secondes.
Avantages : séchage rapide et finition résistante ; la teneur en composés volatils dépend toutefois de la formulation du produit. Prévention : suivre la notice et la FDS, enfermer ou écranter la source et utiliser ses verrouillages. Si une exposition résiduelle subsiste, choisir des protections des yeux et de la peau adaptées à la longueur d'onde et au niveau d'exposition ; ne jamais regarder directement la lampe.
Les rayons UV déclenchent la polymérisation du vernis : il durcit en quelques secondes au lieu de plusieurs heures.
5.2. Détecteurs IR en domotique
Un aménageur d'intérieur installe souvent des détecteurs de mouvement infrarouge passifs (PIR) dans les projets d'agencement domotique. Une lentille découpe le champ en zones. Lorsque le rayonnement infrarouge reçu varie d'une zone à l'autre parce qu'un corps chaud se déplace, le capteur pyroélectrique produit un signal qui peut déclencher l'éclairage ou l'alarme. Un PIR ne mesure donc pas simplement « la chaleur d'une personne » et détecte moins bien une personne immobile.
Le détecteur PIR réagit à une variation du rayonnement infrarouge entre les zones de son champ lorsqu'un corps chaud se déplace.
5.3. Transmission, absorption et réflexion
Lorsqu'un rayonnement arrive sur un matériau, une part peut être transmise, une part absorbée et une part réfléchie. Pour des coefficients rapportés au même rayonnement incident :
Le rayonnement reçu se partage en trois : une part réfléchie, une part absorbée dans l'épaisseur et une part transmise.
Application — Répartition sur un vitrage d'agencement
Un vitrage posé dans l'agencement d'un magasin transmet 70 % du rayonnement qu'il reçoit et en réfléchit 25 %. Quelle part absorbe-t-il ?
On applique \(\tau + \alpha + \rho = 1\) avec \(\tau = 0{,}70\) (70 %) et \(\rho = 0{,}25\) (25 %).
\(\alpha = 1 - 0{,}70 - 0{,}25 = 0{,}05\) : le vitrage absorbe 5 % du rayonnement reçu.
Dans un empilement simplifié qui néglige les réflexions multiples, les coefficients de transmission des couches se multiplient : un double vitrage dont chaque verre transmet 0,80 laisse passer \(0{,}80 \times 0{,}80 = 0{,}64\), soit 64 % du rayonnement.
Un pyromètre infrarouge mesure le rayonnement émis par une surface sans contact. L'émissivité d'une surface compare le rayonnement qu'elle émet à celui d'une surface idéale portée à la même température : elle vaut au plus 1 (surface mate et sombre, comme un bois brut) et devient très faible pour un métal poli. L'indication du pyromètre dépend donc notamment de l'émissivité réglée sur l'appareil, de la taille de la zone visée et de l'étalonnage.
5.4. Communication sans fil
Technologie
Fréquence
λ
Usage sur chantier
Wi-Fi
2,4 / 5 GHz
12,5 / 6 cm
Connexion tablette / plans numériques
Bluetooth
2,4 GHz
12,5 cm
Casque antibruit connecté
RFID
13,56 MHz / 868 MHz
22 m / 35 cm
Suivi de pièces en production
Réseaux mobiles usuels
700 MHz – 3,5 GHz
43 cm – 8,6 cm
Communication sur chantier
Bandes HF et UHF
HF (« hautes fréquences ») désigne la bande 3 à 30 MHz ; UHF (« ultra hautes fréquences »), la bande 300 MHz à 3 GHz. Ce sont des sous-bandes conventionnelles des ondes radio ou hertziennes, pas deux domaines placés à côté des UV ou des IR dans le spectre. Le Wi-Fi à 2,4 GHz et la liaison mobile à 800 MHz se trouvent ainsi en UHF ; la RFID à 13,56 MHz se trouve en HF.
Attention : ces bandes ne se calent pas sur les frontières du tableau du § 3.2. La bande UHF va de \(\lambda = 1\) m (300 MHz) à \(\lambda = 10\) cm (3 GHz) : elle déborde des ondes radio (λ > 30 cm) vers les micro-ondes (λ < 30 cm). Le Wi-Fi à 2,4 GHz, de longueur d'onde 12,5 cm, est donc à la fois une micro-onde et une onde de la bande UHF : les deux classements ne se contredisent pas, ils ne découpent simplement pas le spectre de la même façon.
Application — Longueur d'onde du réseau mobile
Sur un chantier, le smartphone d'un poseur de cuisines se connecte au réseau mobile 4G à la fréquence \(f = 800\) MHz. Calculer la longueur d'onde de cette onde (\(c = 3 \times 10^8\) m/s).
\(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3 \times 10^8}{8 \times 10^8} = 0{,}375\) m = 37,5 cm.
Cette valeur est cohérente avec la ligne « Réseaux mobiles usuels » du tableau ci-dessus ; 800 MHz appartient aussi à la bande UHF.
5.5. Laser et sécurité
Un laser émet une lumière presque monochromatique (une seule longueur d'onde) sous forme d'un faisceau très peu divergent : même à plusieurs mètres, la puissance reste concentrée sur une très petite surface. C'est ce qui permet au télémètre et au scanner 3D de relever précisément les cotes d'un local avant un chantier d'agencement.
Attention
Le danger n'existe pas seulement en vision directe : un faisceau réfléchi par une surface brillante (quincaillerie, vitrage, stratifié, plan de travail laqué) reste dangereux pour l'oeil, et les fortes puissances le sont aussi pour la peau.
Les appareils sont rangés en classes, de 1 (la plus sûre) à 4 (la plus dangereuse). La classe est inscrite sur l'étiquette de l'appareil, avec la longueur d'onde et la puissance : c'est elle qui indique les précautions à prendre. Un télémètre de chantier est souvent de classe 2.
Ne jamais viser le visage d'une personne, ne jamais regarder dans le faisceau, et écarter les surfaces réfléchissantes du champ de tir.
6. Méthode de calcul
Application
Un aménageur d'intérieur installe un détecteur infrarouge de mouvement (\(\lambda = 10\) µm = \(10 \times 10^{-6}\) m). Dans quel domaine du spectre se situe cette onde ? Calculer sa fréquence.
\(\lambda = 10 \text{ µm} = 10 \times 10^{-6}\) m = \(10^{-5}\) m. C'est dans le domaine infrarouge (entre 800 nm et 1 mm).
MéthodeCalculer λ, f ou c
À partir de \(\lambda = \dfrac{c}{f}\), on peut isoler chaque grandeur :
Longueur d'onde : \(\lambda = \dfrac{c}{f}\)
Fréquence : \(f = \dfrac{c}{\lambda}\)
Vérification : \(c = \lambda \times f\)
Attention aux unités : λ en m, f en Hz, c en m/s.
Relation longueur d'onde ↔ fréquence (λ = c/f)
Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques se propagent à \(c = 3\times10^8\) m/s. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde dans le vide est courte. Déplace le curseur dans le spectre :
Pour aller plus loin — l'énergie d'un photon
Une onde électromagnétique transporte son énergie par petits « grains » d'énergie appelés photons. L'énergie d'un photon se calcule à partir de la fréquence :
\[ E = h \times f \]
avec \(E\) en joules (J), \(f\) en Hz, et \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\) J·s (la constante de Planck).
Lampe UV de l'atelier (\(f = 8{,}22 \times 10^{14}\) Hz) : \(E = 6{,}63 \times 10^{-34} \times 8{,}22 \times 10^{14} = 5{,}4 \times 10^{-19}\) J.
Détecteur infrarouge (\(f = 3 \times 10^{13}\) Hz) : \(E = 6{,}63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{13} = 2{,}0 \times 10^{-20}\) J, soit environ 27 fois moins.
Voilà pourquoi on dit que les UV sont « plus énergétiques » que les IR : à même quantité de lumière reçue, chaque photon UV apporte beaucoup plus d'énergie, assez pour casser des liaisons chimiques — d'où la polymérisation du vernis, mais aussi le risque pour la peau et les yeux.
7. Résumé du chapitre
À retenir
Les ondes EM se propagent dans le vide à \(c = 3 \times 10^8\) m/s
Le spectre EM va des rayons gamma (très courte λ, très haute f) aux ondes radio (grande λ, basse f)
Le domaine visible : 400 nm (violet) à 800 nm (rouge)
Chaque domaine a ses sources et ses détecteurs : lampe UV / capteur UV, corps chaud / capteur IR et caméra thermique, lampe et LED / oeil et capteur CCD, antenne émettrice / antenne réceptrice
Une onde EM transporte de l'énergie, mais elle transmet aussi de l'information : c'est le principe de la télécommande IR, du Wi-Fi, du Bluetooth et de la RFID
L'énergie d'un photon vaut \(E = hf\) (avec \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\) J·s), mais le risque ne dépend jamais de la fréquence seule : il faut aussi considérer la puissance ou l'intensité, la durée, la distance, la voie d'exposition et les protections
Grandeur
Formule
Unités
Longueur d'onde
\(\lambda = c / f\)
m
Fréquence
\(f = c / \lambda\)
Hz
Période
\(T = 1 / f\)
s
8. Erreurs fréquentes
❌
Oublier de convertir les nanomètres en mètres
Calculer \(f = c/\lambda\) avec \(\lambda\) en nm au lieu de m donne un résultat milliards de fois trop petit. Il faut \(\lambda\) en mètres. Conseil : 1 nm = 10-9 m. Toujours convertir avant de calculer.
❌
Confondre longueur d'onde et fréquence
Plus la longueur d'onde est grande, plus la fréquence est petite (et inversement). Les ondes radio ont une grande longueur d'onde et une basse fréquence ; les rayons gamma ont une très petite longueur d'onde et une très haute fréquence. Conseil : \(\lambda\) et \(f\) sont inversement proportionnels (\(\lambda = c/f\)) — l'un augmente quand l'autre diminue.
❌
Situer incorrectement le domaine visible
Le domaine visible s'étend de 400 nm (violet) à environ 800 nm (rouge). Ce n'est qu'une toute petite partie du spectre électromagnétique total. Conseil : retenir violet = 400 nm = fréquence haute, rouge = 800 nm = fréquence basse. Au-delà du rouge : infrarouge (invisible).
❌
Croire que les ondes EM nécessitent un support matériel
Contrairement aux ondes sonores ou aux vagues, les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide (c'est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient). Conseil : seules les ondes mécaniques (son, vague) ont besoin d'un support — les ondes EM se propagent dans le vide.