PRESSION DE RADIATION Avec des notations modernes , Maxwell définit pour une onde plane se propageant dans le vide à la vitesse de la lumière sa densité d ’ impulsion p = u / c à partir de sa densité d ’ énergie u = (
ε — 0 2 ) | ε | 2 + 1 /( 2 µ 0 )| H | 2 où ε 0 et µ 0 sont respectivement la permittivité et la perméabilité du vide et ( ε , H ) le champ électromagnétique de l ’ onde . Par conservation d ’ impulsion , on calcule qu ’ une telle onde éclairant sous incidence normale une plaque de surface réfléchissante ( coefficient de réflexion η ) et absorbante ( coefficient d ’ absorption ) va exercer une force
COMPRENDRE les forces optiques
COMPRENDRE LES FORCES OPTIQUES
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Cyriaque GENET *
Institut de Science et d ' Ingénierie Supramoléculaires ( ISIS ) - Université de Strasbourg et CNRS France * genet @ unistra . fr
La lumière exerce une action mécanique sur tout objet éclairé par échange d ’ impulsion entre le champ électromagnétique et la matière . De faibles amplitudes , les forces optiques ont pourtant donné lieu à des applications importantes . Les liens qu ’ elles entretiennent à la fois avec le champ et l ’ objet continuent d ’ être interrogés à l ’ heure actuelle . https :// doi . org / 10.1051 / photon / 202312952
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Lorsqu ’ il publie en 1873 son « Traité sur l ’ électricité et le magnétisme », James C . Maxwell a achevé d ’ unifier les phénomènes électriques et magnétiques et propose une théorie électromagnétique de la lumière . Ce faisant , il érige l ’ un des piliers sur lequel va s ’ édifier la physique telle que nous la connaissons aujourd ’ hui [ 1 ]. Dépassant le cadre de la physique newtonienne , cette nouvelle théorie donne des prédictions expérimentales précises qui ouvrent chacune des champs d ’ explorations immenses .
L ’ une de ces prédictions est celle d ’ une action mécanique de la lumière . Comme l ’ écrit Maxwell dans son traité ( au § 793 ) : « De tels rayons [ lumineux ] tombant sur un disque métallique fin , délicatement suspendu dans le vide , pourraient induire un effet mécanique mesurable ».
PRESSION DE RADIATION Avec des notations modernes , Maxwell définit pour une onde plane se propageant dans le vide à la vitesse de la lumière sa densité d ’ impulsion p = u / c à partir de sa densité d ’ énergie u = (
ε — 0 2 ) | ε | 2 + 1 /( 2 µ 0 )| H | 2 où ε 0 et µ 0 sont respectivement la permittivité et la perméabilité du vide et ( ε , H ) le champ électromagnétique de l ’ onde . Par conservation d ’ impulsion , on calcule qu ’ une telle onde éclairant sous incidence normale une plaque de surface réfléchissante ( coefficient de réflexion η ) et absorbante ( coefficient d ’ absorption ) va exercer une force
F = ε 0 | ε | 2 S ( 2R + η ) ( 1 )
poussant la plaque dans la direction de propagation ( Fig . 1 ). Comme Maxwell , on peut estimer pour une densité d ’ énergie du rayonnement solaire de u = 4,51 × 10 – 6 N / m 2 une force de pression de radiation de quelques centaines de pico-Newtons exercée sur une surface de l ’ ordre du cm 2 .
Cette valeur , certes faible mais non négligeable , encourage P . N . Lebedev à effectuer en 1901 le premier test expérimental de la prédiction de Maxwell [ 2 ]. L ’ expérience de Lebedev consiste à utiliser un pendule de torsion aux bras duquel sont fixés les « disque ( s ) métallique ( s ) fin ( s ), délicatement suspendu ( s ) dans le vide » que Maxwell a décrit . La maîtrise expérimentale de Lebedev lui permet d ’ atteindre une sensibilité de mesure de 10 – 11 N sous vide ( 0.1 mbar ) et de mesurer la pression de radiation ( 1 ) avec une précision de l ’ ordre de 20 %.
La relation ( 1 ) souligne le lien entre force optique et diffusion . Si l ’ on remplace le miroir plan de la Fig . 1 par une sphère , la force de pression
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