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Vidéo de la leçon : Rayonnement infrarouge Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire comment la température d’un objet et ses caractéristiques de surface influencent l’émission et l’absorption du rayonnement infrarouge par cet objet.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons parler du rayonnement infrarouge. Dans un premier temps, regardons cette vue en écran partagé d’un sèche-cheveux électrique. Le sèche-cheveux fonctionne en expulsant l’air chaud par l’embout situé à cette extrémité. Mais bien sûr, si on regarde un sèche-cheveux fonctionner dans la vie courante, on ne voit pas cet air chaud sortir de l’embout. De plus, on ne voit aucune partie du sèche-cheveux chauffer. Mais si, au lieu de regarder la lumière visible dégagée par ce sèche-cheveux, on voyait le rayonnement infrarouge qui en provient, alors dans ce cas, on pourrait voir l’air chaud soufflé par le sèche-cheveux ainsi que les parties de l’appareil qui chauffent. Et cela illustre le premier fait important de cette leçon : le rayonnement infrarouge, souvent abrégé IR, est associé à la chaleur.

Voici ce que l’on entend par là. Imaginons que l’on soit devant un feu de camp qui nous réchauffe. Dans le cas de ce feu de camp, on sait qu’il dégage de la lumière visible. C’est la lumière que l’on distingue de la flamme. Mais comme on est assez proche de ce feu de camp, on peut également sentir la chaleur dégagée par le feu. Cette chaleur ressentie n’est pas due à la lumière visible, aux couleurs jaune et rouge que l’on voit dans la flamme du feu. Mais en réalité, elle est due au rayonnement infrarouge émis par le feu. On en conclut donc que la lumière visible, la lumière à laquelle nos yeux sont sensibles et le rayonnement infrarouge ne sont pas la même chose. Néanmoins, ces deux rayonnements sont liés. Tous deux sont des types de rayonnement électromagnétique.

Si on étudie le spectre électromagnétique, parfois abrégé spectre EM, on voit au milieu du spectre représenté ici, la lumière visible, c’est-à-dire, la lumière à laquelle nos yeux sont sensibles, puis juste à droite de celle-ci, le rayonnement infrarouge. En continuant vers la droite, on a les micro-ondes puis, à des longueurs d’onde encore plus longues, les ondes radio. D’autre part, si on revient à la lumière visible et qu’on se déplace cette fois-ci vers la gauche, on arrive dans le rayonnement ultraviolet, abrégé UV puis les rayons X et enfin, les rayons gamma.

Ce que l’on observe, c’est que lorsque l’on balaye le spectre de gauche à droite, la longueur d’onde, symbolisée par la lettre grecque 𝜆, devient plus longue. À l’inverse, si on se déplace de droite à gauche, la longueur d’onde devient plus courte. En regardant à nouveau la partie visible du spectre, cette partie comprend toutes les couleurs visibles à nos yeux, le rouge, le vert, le bleu, le jaune, etc., c’est-à-dire, toutes les couleurs auxquelles nos yeux sont sensibles. Si on va à l’extrémité droite du spectre visible, on observe une lumière de couleur rouge. Et la longueur d’onde de la lumière rouge est d’environ 700 nanomètres.

Rappelons qu’un nanomètre est égal à 10 puissance moins neuf mètre. En d’autres termes, un nanomètre est un milliardième de mètre. Cela nous indique que la lumière rouge a une longueur d’onde de 700 milliardièmes de mètre. Puis, si on continue vers la droite dans la zone du rayonnement infrarouge, la longueur d’onde devient plus grande. Elle s’accroit. Si on va ensuite complètement à l’extrémité droite de cette partie du spectre EM, alors la longueur d’onde est de 10 puissance moins 6, ou un million de nanomètres. Par ailleurs, rappelons que non seulement un nanomètre est égal à un milliardième de mètre, mais qu’il est également égal à un millionième de millimètre. Par conséquent, on peut donc écrire 10 puissance moins 6, ou un million de nanomètres simplement comme un millimètre. Ce que l’on a ici mis en évidence est l’étendue complète des longueurs d’onde du rayonnement infrarouge, située entre 700 nanomètres et un millimètre.

Pour continuer, on a établi ici, en haut de l’écran, que le rayonnement infrarouge est associé à la chaleur. C’est vrai. Mais c’est en réalité le rayonnement infrarouge situé du côté droit de cette plage de longueurs d’onde qui est responsable de la chaleur que l’on ressent. Parfois, ce rayonnement est appelé IR lointain, rayonnement infrarouge lointain ou IR thermique. Maintenant, si on revient à l’image du sèche-cheveux en fonctionnement que l’on a vu au début de cette vidéo, on peut s’apercevoir à quel point le rayonnement infrarouge, en particulier le rayonnement thermique, semble très utile à étudier.

Par exemple, prenons le cas d’un gardien de sécurité dans un grand magasin. Dans le cadre de son travail, il souhaite surveiller l’activité qui se passe sur le parking devant le magasin. Pour ce faire, quelques caméras sont installées autour du magasin, afin d’enregistrer l’activité sur le parking. Mais il y a un problème majeur avec ce système tel quel. Les caméras installées ne sont sensibles qu’à la lumière visible, celle que nos yeux peuvent voir. Donc, pendant la journée, elles surveillent parfaitement le parking. Mais lorsque le soleil se couche et que le parking est plongé dans le noir, alors les images enregistrées par les caméras deviennent très sombres. Et il est difficile de voir ce qui s’y passe Et bien, c’est à ce moment-là que le rayonnement infrarouge peut s’avérer utile.

Si on modifie ces caméras de sorte qu’elles soient maintenant sensibles au rayonnement infrarouge plutôt qu’à la lumière visible, alors dans ce cas, même la nuit, même quand il n’y a pas de lumière visible sur le parking, lorsque l’on observe ce que l’on peut appeler la vision IR de cette scène, on peut toujours distinguer les objets, non pas en fonction de leur apparence sous la lumière visible, mais en fonction de la chaleur qu’ils dégagent. Par exemple, cette vue montre la chaleur produite par le moteur de la voiture stationnée sur le parking. Et cela montre également la chaleur dégagée par la personne qui sort de la voiture. Avec cette vue, c’est-à-dire, la vue du rayonnement infrarouge plutôt que la vue de la lumière visible, il est possible de voir ce qui se passe dans ce cas grâce à la chaleur des objets plutôt que grâce à la lumière visible.

Pour développer au sujet de cette différence, il est assez amusant de comparer l’apparence d’une personne sur une image en lumière visible, une image que l’on verrait normalement, par rapport à une vue par rayonnement infrarouge de cette même personne. Étant donné que la vue IR est basée sur la chaleur dégagée, on remarque que l’extrémité de notre nez est souvent plus froide que le reste de notre visage, et qu’elle apparait donc comme étant plus sombre dans une vue par rayonnement infrarouge, que nos yeux et notre bouche qui sont, eux, plus chauds. Et en général, on obtient une vue des gradients de température sur le visage d’une personne. Maintenant que l’on a vu la façon dont les objets apparaissent lorsqu’ils sont observés par cette technique, regardons comment le rayonnement infrarouge interagit avec les matériaux.

Supposons que l’on ait ici un échantillon de matériau. Et on l’expose à un rayonnement infrarouge. Tout comme avec la lumière visible, ce matériau peut interagir de plusieurs façons avec le rayonnement incident. Le rayonnement peut être réfléchi par le matériau. Ou il peut être transmis. Mais aussi, le rayonnement peut être absorbé par le matériau. Il y a donc trois possibilités : l’absorption, où le rayonnement est retenu par le matériau, la réflexion, où le rayonnement rebondit sur le matériau, et la transmission, où le matériau laisse traverser la lumière.

À présent, réfléchissons un instant non pas au rayonnement infrarouge mais à la lumière visible, c’est-à-dire la lumière à laquelle nos yeux sont sensibles. Si on regarde autour de nous, on remarque que la plupart des objets que l’on observe ne sont pas transparents. On ne peut pas voir à travers. En d’autres termes, pour la plupart des objets du quotidien exposés à la lumière visible, il y a très peu de transmission. Presque toute la lumière est soit absorbée, soit réfléchie par un matériau. Et bien, il s’avère que le rayonnement infrarouge se comporte de la même manière. Il y a, bien entendu, quelques exceptions. Mais la plupart des radiations infrarouges sont soit absorbées, soit réfléchies par les objets. On peut dire que la majeure partie des rayonnements infrarouges incidents est soit absorbée, soit réfléchie par un matériau. Donc, si on écarte toute possibilité de transmission, vu que l’on suppose que cette transmission est négligeable, on peut alors établir une liste des facteurs qui influencent la capacité d’un matériau à absorber ou à réfléchir le rayonnement infrarouge auquel il est exposé.

Dressons donc la liste de ces facteurs sur la gauche de notre écran. Et au fur et à mesure, on va voir de quelle façon les changements apportés à ces facteurs vont influencer ce qui se passe ici sur notre croquis. La première chose à laquelle on peut penser, concernant la capacité d’un matériau donné à absorber ou à réfléchir un rayonnement infrarouge, est la couleur de ce matériau. Le matériau représenté ici est de couleur blanche. Le blanc, tout comme pour la lumière visible, réfléchit très bien le rayonnement infrarouge. Cela signifie que la plupart des IR qui arrivent sur ce matériau vont tout simplement rebondir. La grande majorité des rayons est réfléchie. Et très peu sont absorbés. Cependant, si le matériau était de couleur noire, alors il serait très peu probable que le matériau réfléchisse le rayonnement, mais il serait plutôt très probable qu’il l’absorbe.

Ici, le sujet s’intitule : facteurs affectant l’absorption et l’émission des IR. Ces deux termes, absorption et émission sont, en réalité, très étroitement liés. Si un matériau absorbe beaucoup de rayons infrarouges, comme notre matériau noir ici, alors il sera également un très bon émetteur de rayons infrarouges. Et il va dégager ce rayonnement sous forme de chaleur. C’est pourquoi, par exemple, si on marche sur une surface ayant un revêtement sombre lors d’une chaude journée d’été, on aura beaucoup plus chaud que si on marchait sur un trottoir de couleur claire. Même si le revêtement sombre a exactement la même température, celui-ci est beaucoup plus efficace pour absorber le rayonnement infrarouge puis pour l’émettre. Et c’est cette émission que l’on ressent comme de la chaleur. Ainsi, la couleur du matériau joue un rôle important dans la façon dont ce matériau absorbe puis émet un rayonnement infrarouge.

Il y a un autre facteur qui affecte ces grandeurs, appelé la réflectivité. On peut envisager la réflectivité comme ceci. Admettons que ce matériau soit lisse et très poli, tel un miroir. Dans ce cas, sa réflectivité sera très élevée. La majeure partie du rayonnement infrarouge qui l’atteint sera renvoyée, tout comme la plupart de la lumière qui atteint un miroir est réfléchie. Mais d’autre part, si au lieu d’avoir une surface très lisse, on la rendait très rugueuse, comme du papier de verre. Et bien, dans ce cas, la réflectivité de ce matériau diminuerait. Et par conséquent, il serait plus probable qu’il absorbe puis émette un rayonnement infrarouge qu’il ne le réfléchisse.

Ensuite, le troisième facteur, la température de l’objet, influence davantage l’émission que l’absorption. La température d’un matériau particulier influence très peu l’absorption ou la réflexion du rayonnement infrarouge incident. Mais elle est fortement liée à la capacité de ce matériau à émettre des IR. Ce phénomène est, en réalité, indépendant du fait qu’un rayonnement infrarouge arrive sur le matériau ou non. Il s’agit simplement d’une propriété intrinsèque au matériau : plus il est chaud, plus il émettra du rayonnement. On remarquera au passage que tout matériau ayant une température supérieure au zéro absolu émettra un certain rayonnement infrarouge, même s’il s’agit d’une très petite quantité. C’est là une autre raison pour laquelle le rayonnement infrarouge est si intéressant.

Pour la lumière visible, c’est-à-dire, la lumière que nos yeux peuvent voir, on ne peut citer que quelques sources lumineuses, comme le soleil si on est à l’extérieur ou la lumière artificielle si on est à l’intérieur d’un bâtiment. En ce qui concerne la lumière visible, la plupart des objets ne sont pas des sources. Ils réfléchissent simplement cette lumière. Mais au contraire, pour les IR, chaque objet est une source de rayonnement infrarouge même lorsque ces objets sont très froids. Même lorsque leur température est en dessous de la température de congélation, ils dégagent toujours des IR. Et par conséquent, ils sont donc une source d’IR. Mais comme on l’a dit plus tôt, l’émission dépend de la température. Et plus un objet est chaud, plus il dégage des IR.

Par ailleurs, il y a un dernier facteur sur notre liste qui affecte l’absorption et l’émission des IR. Il s’agit de la superficie, c’est-à-dire, l’aire de notre matériau. Imaginons que l’on double la longueur des deux côtés de notre matériau, de sorte que sa superficie totale se multiplie par quatre. Et bien, dans ce cas, notre plus grand matériau est capable de rayonner ou d’émettre beaucoup plus d’IR. Et en raison de sa plus grande taille, il agit aussi comme une plus grande cible pour le rayonnement infrarouge incident. Cette propriété énonçant que plus la superficie d’un matériau est grande, plus il est capable d’émettre un rayonnement infrarouge et donc de dégager de la chaleur, est utilisée pour le refroidissement des systèmes électroniques.

On a certainement déjà observé dans un circuit électronique la présence d’un bloc de métal, possédant à sa surface de nombreuses ailettes métalliques minces. Le but de toutes ces ailettes, séparées par de très faibles écarts, est d’offrir une plus grande superficie afin que la chaleur puisse s’échapper de cette pièce métallique. Sa conception est basée sur la propriété disant qu’une plus grande superficie augmente la capacité à évacuer la chaleur. Étudions maintenant un exemple d’exercice sur le rayonnement infrarouge.

Laquelle des propriétés suivantes n’affecte pas directement la quantité de rayonnement infrarouge qu’un objet émet et absorbe ? A) Sa superficie, B) Sa couleur, C) Sa réflectivité, D) Sa masse, E) Sa température.

Pour trouver la réponse à cette question, imaginons que l’on ait un matériau ici. Et qu’il est exposé à un rayonnement infrarouge. Ce que l’on peut faire, c’est tester chacun de ces facteurs pour voir lequel d’entre eux n’affecte pas directement la quantité d’IR que ce matériau émet et absorbe. On commence avec cette première proposition : la superficie. Pour ce faire, imaginons que notre source de rayonnement infrarouge, c’est-à-dire le rayonnement qui arrive sur notre matériau, n’est pas une source ponctuelle. On peut dire que c’est une source étendue, comme le soleil, de sorte que le rayonnement infrarouge, la chaleur du soleil, arrive en tout point, et pas seulement en un seul point sur le sol.

Ici, on peut voir qu’en raison de sa superficie, que l’on appellera S, la quantité de rayonnement que notre matériau peut absorber est limitée. Si sa surface était plus grande, ou si sa superficie était plus grande, alors il pourrait recevoir davantage de rayonnement. Et il pourrait donc en absorber davantage. De plus, parallèlement à cela, une plus grande surface signifierait que ce matériau rayonnerait ou émettrait plus d’IR. Donc, ce facteur, c’est-à-dire la superficie, affecte à la fois sa capacité à se réchauffer, ou la quantité de rayonnement qu’il absorbe, ainsi que sa capacité à se refroidir, ou la quantité de rayonnement qu’il émet. Étant donné que la question demande de trouver la propriété qui n’affecte pas directement l’émission et l’absorption, on déduit donc que cette proposition n’est pas la bonne réponse. En effet, la superficie affecte ces deux grandeurs.

Passons à la proposition suivante : la couleur. Ici, si notre matériau est de couleur claire, par exemple, s’il est blanc, il y a de fortes chances qu’il réfléchisse tout rayonnement infrarouge incident. Et de toute évidence, le rayonnement réfléchi n’est pas absorbé. Donc, cette propriété affecte l’absorption. D’autre part, si notre matériau avait une couleur sombre, il serait plus à même d’absorber le rayonnement et moins susceptible de le réfléchir. Et on sait qu’un matériau absorbant fortement les infrarouges émettra également fortement les infrarouges. Ainsi, la couleur d’un matériau, qu’il soit sombre ou clair, affecte en effet l’émission et l’absorption du rayonnement infrarouge. Par conséquent, la proposition B n’est pas correcte non plus.

La proposition suivante, la réflectivité, est directement liée à la capacité de ce matériau à réfléchir les rayons infrarouges incidents. Si le matériau est très lisse et poli comme un miroir, il aura une forte réflectivité et donc un faible niveau d’absorption. Toutefois, le contraire peut également être vrai, si notre matériau est très rugueux, il devient alors plus performant pour absorber le rayonnement infrarouge et moins apte à le réfléchir. On conclut donc que cette propriété de réflectivité affecte directement l’émission et l’absorption.

La proposition D suggère que la masse n’affecte pas directement ces propriétés. Ainsi, imaginons un cas où on a un matériau avec une surface, une couleur et une réflectivité données. Et en plus de cela, disons que le matériau est à une certaine température fixe. On appellera simplement cette température 𝑇. Maintenant, si on pouvait garder ces quatre propriétés identiques mais faire varier la masse de ce matériau, alors la question serait de savoir si cela affecterait l’émission et l’absorption du rayonnement infrarouge ? Et la réponse est non, du moins pas directement. Donc, la proposition D, la masse, semble être la bonne réponse. Mais vérifions cette proposition E juste pour être sûrs.

Si on fait varier la température de notre matériau, disons en le chauffant, alors le matériau va répondre en émettant plus de radiations infrarouges dans son environnement. Puisque la température affecte directement ces propriétés, ce n’est donc pas notre réponse, ce qui signifie que c’est bien la masse d’un objet qui n’affecte pas directement la quantité d’IR qu’il émet et absorbe.

Résumons à présent ce que l’on a appris sur le rayonnement infrarouge. Tout d’abord, on a vu que le rayonnement infrarouge, souvent appelé IR, est une lumière qui a une longueur d’onde comprise entre 700 nanomètres et un millimètre. Cela désigne l’intervalle dans lequel se situe le rayonnement infrarouge sur le spectre électromagnétique. Par ailleurs, on a appris que le rayonnement infrarouge est le type de rayonnement responsable de la chaleur ressentie lorsqu’on est à proximité d’objets chauds. Aussi, tous les objets dont la température est supérieure au zéro absolu émettent un rayonnement infrarouge. Pour finir, on a vu que la couleur d’un matériau, sa superficie, sa température ainsi que sa réflectivité sont toutes des propriétés qui influencent sa capacité à émettre et à absorber le rayonnement infrarouge.

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