Énergie lumineuse : catégorie, propriétés et utilisations importantes

Qu'est-ce que l'énergie lumineuse?

Définition de l'énergie lumineuse:

La lumière est la seule forme d'énergie visible à l'œil humain. L'énergie lumineuse peut être définie de deux manières:

La lumière est composée de paquets d'énergie sans masse appelés photons. Les photons sont des paquets d'énergie qui transportent une quantité fixe d'énergie lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'énergie lumineuse fait référence à la gamme d'énergie électromagnétique constituée des rayons gamma, des rayons X, des lumières visibles, etc.
La gamme visible du spectre électromagnétique est généralement connue sous le nom de lumière.

La nature de la lumière:

Au 17ème siècle, il y avait deux idées concernant la nature de la lumière.

Nature des particules de la lumière

Isaac Newton croyait que la lumière était faite de minuscules particules discrètes appelées corpuscules. Selon lui, ces minuscules particules étaient émises par des objets chauds tels que le soleil ou le feu et voyageaient en ligne droite avec une vitesse finie et une impulsion possédée. Ceci est venu pour être connu comme Théorie corpusculaire de la lumière de Newton.

Nature vague de la lumière

Christiaan Huygens prétendait réfuter la théorie corpusculaire de Newton en proposant la théorie Wave de la lumière. Selon lui, la lumière était constituée d'ondes qui vibraient de haut en bas perpendiculairement à sa direction de propagation. Ceci est venu pour être connu comme «Principe de Huygens»

Au début du 19e siècle, un physicien anglais Thomas Young a mené une expérience qui a montré la lumière d'une source ponctuelle après avoir traversé deux fentes formant un motif d'interférence sur un écran placé à une distance appropriée. Cela a été connu sous le nom d'expérience à double fente de Young, qui préconisait la nature ondulatoire de la lumière soutenant le principe de Huygens.

James Clerk Maxwell a jeté les bases de l'électromagnétisme moderne qui décrivait la lumière comme une onde transversale composée de champs magnétiques et électriques oscillants à 90 ° l'un de l'autre. La formulation de la lumière sous forme d'ondes transversales contredit Huygens, qui croyait que l'onde lumineuse était longitudinale.

Albert Einstein relancé la théorie des particules en apportant le concept de photons. L'expérience d'Einstein, connue sous le nom d'effet photoélectrique, a montré que la lumière comprend des faisceaux discrets ou des quanta d'énergie lumineuse, appelés photons.

Le phénomène d'interférence et de diffraction ne peut s'expliquer qu'en considérant la lumière comme une onde. En comparaison, l'explication de l'effet photoélectrique n'était possible que par la nature des particules de lumière.
Cet énorme dilemme concernant la nature de la lumière a été résolu avec la fondation de la mécanique quantique qui a établi la dualité onde-particule sur la nature de la lumière et de la matière. 

Propriétés de la lumière:

Interactions de la lumière:

Les ondes lumineuses interagissent avec la matière de différentes manières:

Réflexion de la lumière

- Lorsqu'une onde lumineuse rebondit sur la surface d'un matériau dans son milieu de propagation précédent, le processus est appelé réflexion. Par exemple, l'image s'est formée sur un étang / lac calme.

Absorption de lumière

Lorsqu'un matériau absorbe l'énergie d'une onde lumineuse qui lui tombe dessus, le processus est appelé absorption. Par exemple, les plastiques qui brillent dans l'obscurité, qui absorbent la lumière et réémettent sous forme de phosphorescence.

Transmission

Lorsqu'une onde lumineuse se déplace / traverse un matériau, le processus est appelé transmission. Par exemple, la lumière passant à travers une vitre en verre.

Interférence

L'interférence fait référence au phénomène dans lequel deux ondes lumineuses se superposent pour produire une onde résultante qui peut avoir une amplitude inférieure, supérieure ou identique. Les interférences constructives et destructives se produisent lorsque les ondes en interaction sont cohérentes entre elles, soit parce qu'elles partagent la même source, soit parce qu'elles ont la même fréquence ou une fréquence comparable.

Réfraction

La réfraction est un comportement important démontré par les ondes lumineuses. La réfraction a lieu lorsque les ondes lumineuses dévient de leur chemin d'origine lorsqu'elles pénètrent dans un nouveau milieu. La lumière présente différentes vitesses dans différents matériaux de transmission. Le changement de vitesse et de degré de déviation dépend de l'angle de la lumière entrante.

Diffraction

La diffraction est définie comme la flexion des ondes lumineuses autour des coins d'une ouverture dans sa région d'ombre géométrique. L'obstacle ou l'ouverture diffractant devient une source secondaire de l'onde lumineuse se propageant. L'un des exemples les plus courants de diffraction est la formation de motifs arc-en-ciel sur un CD ou un DVD. Les pistes étroitement espacées sur un DVD ou un CD servent de réseaux de diffraction, formant des motifs lorsque la lumière tombe dessus.

Dispersion

La dispersion de la lumière fait référence au phénomène de division de la lumière blanche en son spectre de couleurs constitutif (.ie VIBGYOR) lorsqu'elle est passée à travers un prisme en verre ou des objets similaires. Par exemple, la formation d'arc-en-ciel due à la diffraction de la lumière du soleil par des gouttes de pluie en forme de prisme.

Types de lumière

• La lumière dans son ensemble fait référence au rayonnement électromagnétique de chaque longueur d'onde.
• Le rayonnement électromagnétique peut être classé en termes de longueurs d'onde comme
• Onde radio ~ [10⁵ au 10 Février^-1 m]
• Micro-ondes ~ [10^-1 au 10 Février^-3 m]
• Onde infrarouge ~ [10^-3 - 0.7 x 10^-6m]
• La région visible (que nous percevons comme lumière) ~ [0.7 x 10^-6 - 0.4 x 10^-6 m]
• Ondes ultraviolettes ~ [0.4 x 10^-6 au 10 Février^-8 m]
• Rayons X ~ [10^-8 au 10 Février^{- 11} m]
• Rayons gamma ~ [10^{- 11} au 10 Février^{- 13} m]
• Le fonctionnement des rayonnements électromagnétiques est basé sur sa longueur d'onde.

Fréquence et longueur d'onde de la lumière

Échelle de longueur d'onde

Fréquence de la lumière

Les ondes radio :

L'onde radio est une onde électromagnétique ayant une fréquence comprise entre 20 kHz et environ 300 GHz et est connue pour son utilisation dans les technologies de communication, telles que les téléphones mobiles, la télévision et la radio. Ces appareils acceptent les ondes radio et les transforment en vibrations mécaniques pour produire des ondes sonores.

Four micro onde :

Les micro-ondes sont des rayonnements électromagnétiques ayant une fréquence comprise entre 300 MHz et 300 GHz. Les micro-ondes ont une variété d'applications, y compris le radar, la communication et la cuisson.

Ondes infrarouges:

L'onde infrarouge est un rayonnement électromagnétique ayant une fréquence comprise entre 300 GHz et 400 THz.
Les ondes infrarouges trouvent leur application dans le chauffage de télécommandes de nourriture et de télévision, de câbles à fibres optiques, de caméras thermiques, etc.

Lumière visible :

La lumière visible est un rayonnement électromagnétique ayant une fréquence comprise entre 4 × 10¹⁴ à 8 × 10¹⁴ hertz (Hz). La raison pour laquelle l'œil humain ne voit qu'une gamme spécifique de fréquences de lumière est que ces certaines fréquences stimulent la rétine de l'œil humain.

Rayons ultraviolets:

La lumière ultraviolette est un rayonnement électromagnétique ayant une fréquence entre 8 × 10¹⁴ et 3 × 10¹⁶ hertz (Hz). Le rayonnement ultraviolet est utilisé pour neutraliser les microbes, stériliser le matériel médical, traiter les problèmes de peau, etc.

Rayons X:

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques ayant des fréquences comprises entre 3 × 10¹⁹ et 3 × 10¹⁶ Hz. Les rayons X sont utilisés pour annuler les cellules cancéreuses, dans les appareils à rayons X, etc.

Rayons gamma:

Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques ayant des fréquences supérieures à 10¹⁹ hertz (Hz). Les rayons gamma sont utilisés pour annuler microbes, stériliser le matériel médical et la nourriture.

Exemples d'énergie lumineuse

Sources de lumière

Les sources lumineuses peuvent être classées en deux types de base: la luminescence et l'incandescence.

Incandescence:

L'incandescence englobe la vibration de tous les atomes présents. Lorsque les atomes sont chauffés à une température optimale très élevée, les vibrations thermiques qui en résultent sont libérées sous forme de radiations électromagnétiques. Une lumière incandescente ou «rayonnement du corps noir» est créée lorsque la lumière provient d'un solide chauffé. En fonction de la température du matériau, les photons libérés diffèrent par leurs couleurs et leurs énergies. A basses températures, les matériaux produisent des rayonnements infrarouges.

Dans le rayonnement du corps noir, avec une augmentation de la température, le pic se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes, car il se déplace vers la gamme ultraviolette du spectre, il génère une couleur rouge puis blanche et enfin une couleur blanc bleuâtre.
La lumière incandescente est la lumière la plus couramment utilisée. Il se compose du soleil, des ampoules et du feu.
Les incendies entraînent des réactions chimiques qui dégagent de la chaleur, amenant les matériaux à toucher des températures élevées et conduisent finalement les gaz et les matériaux à l'incandescence. D'autre part, les ampoules produisent de la chaleur en raison du passage du courant électrique à travers un câble. Les ampoules à incandescence émettent environ 90% de leur énergie sous forme de radiations infrarouges et le reste sous forme de lumière visible.

Luminescence

La luminescence n'implique que des électrons et a généralement lieu à des températures plus basses, par rapport à la lumière incandescente.
La lumière luminescente se forme lorsqu'un électron émet une partie de son énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Lorsqu'un électron saute à un niveau d'énergie inférieur, une certaine quantité d'énergie lumineuse est libérée sous la forme de lumières d'une couleur spécifique. Généralement, pour maintenir une luminescence continue, les électrons ont besoin d'une poussée constante pour atteindre des niveaux d'énergie plus élevés afin que le processus se poursuive.
Par exemple, les néons produisent de la lumière par électroluminescence, ce qui implique une haute tension {push}, qui excite les particules de gaz et aboutit finalement à une émission de lumière.

Comment la lumière voyage-t-elle?

La lumière se déplace pratiquement comme une onde. Bien que selon l'optique géométrique, la lumière est modélisée pour voyager en rayons. La transmission de la lumière d'une source à un point peut se faire de trois manières:

• Il peut voyager directement à travers un vide ou un espace vide. Par exemple, la lumière voyageant du Soleil vers la Terre.
• Il peut traverser divers milieux, comme l'air, le verre, etc.
• Il peut voyager après avoir été réfléchi, comme par un miroir ou un lac immobile.

Énergie lumineuse vs énergie électronique

Énergie électronique	Énergie lumineuse
• Les électrons ont une énergie de masse au repos, c'est-à-dire l'énergie correspondant à sa masse au repos. L'énergie de repos d'un électron peut être calculée en utilisant l'équation d'Einstein E = MC2. • Lorsque l'électron change ses niveaux d'énergie en passant d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieure, il émet des photons.	• L'énergie lumineuse se présente sous la forme de minuscules paquets d'énergie sans masse appelés photons. La quantité d'énergie dans un photon dépend de la longueur d'onde de la lumière. E = hc / λ • Lorsque des photons avec une quantité adéquate d'énergie lumineuse tombent sur un matériau, les électrons absorbent l'énergie et s'échappent du matériau.

Utilisations de l'énergie lumineuse.

La lumière a ses applications dans tous les aspects de la vie. Sans énergie lumineuse, il nous aurait été impossible de survivre.
Voici quelques applications essentielles de l'énergie lumineuse dans notre vie:

• La lumière permet la vision. Une gamme spécifique de longueurs d'onde de lumière fournit la quantité parfaite d'énergie nécessaire pour stimuler les réactions chimiques dans notre rétine pour soutenir la vision.
• L'énergie lumineuse permet aux plantes de produire de la nourriture grâce au processus de photosynthèse.
• L'énergie lumineuse est utilisée comme source d'énergie dans les technologies satellitaires et spatiales.
• L'énergie solaire est utilisée pour diverses activités domestiques et industrielles.
• L'énergie lumineuse (rayonnement électromagnétique) est utilisée dans l'industrie des télécommunications.
• L'énergie lumineuse est également utilisée pour de multiples traitements médicaux.

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