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PhysiqueD�finition sous licence CC-BY-SA 3.0
Corps noir
Corps noir constante de stefan-boltzmann spectre �lectromagn�tique �nergie �lectromagn�tique loi de stefan-boltzmann Tweeter
En physique, un corps noir d�signe un objet id�al dont le spectre �lectromagn�tique ne d�pend que de sa temp�rature. En pratique, un tel objet mat�riel n'existe pas, mais il repr�sente un cas id�alis� servant de r�f�rence pour les physiciens. Contrairement � ce que son nom sugg�re, un corps noir (En physique, un corps noir d�signe un objet id�al dont le spectre �lectromagn�tique ne d�pend que de sa temp�rature. En pratique, un tel objet mat�riel n'existe pas, mais il...) n'appara�t pas forc�ment noir. En effet l'adjectif "noir" signifie ici que l'objet (De mani�re g�n�rale, le mot objet (du latin objectum, 1361) d�signe une entit� d�finie dans un espace � trois dimensions, qui a une fonction pr�cise, et qui peut �tre d�sign� par une �tiquette verbale. Il est d�fini par les...) lui-m�me absorbe toute la lumi�re (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) ext�rieure qui tomberait sur lui, et ne refl�te aucune radiation (Le rayonnement est un transfert d'�nergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement �lectromagn�tique (par exemple : infrarouge) ou par une d�sint�gration (par exemple : radioactivit� α). Par...) non plus. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...), ne d�pendant que de la temp�rature (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) du corps. Le nom corps noir a �t� introduit par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien...) Gustav Kirchhoff en 1862. Le mod�le du corps noir permit � Max Planck de d�couvrir la quantification des interactions �lectromagn�tiques, qui fut un des fondements de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) quantique. Le mod�le du corps noir Exemples de spectres de corps noir, sur un diagramme (Un diagramme est une repr�sentation visuelle simplifi�e et structur�e des concepts, des id�es, des constructions, des relations, des donn�es statistiques, de l'anatomie etc. employ� dans tous les aspects des...) de l'intensit� lumineuse en fonction de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation r�versible de propri�t�s physiques locales. Elle transporte de l'�nergie sans...) . Quand la temp�rature est �lev�e , le pic de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des...) se d�place vers les courtes longueurs d'ondes, et invers�ment pour les plus basses temp�ratures . La courbe en pointill� indique la pr�diction de la th�orie (Le mot th�orie vient du mot grec theorein, qui signifie � contempler, observer, examiner �. Dans le langage courant, une th�orie est une id�e ou une...) dite classique , par opposition � la th�orie quantique, qui seule pr�dit la forme correcte des courbes effectivement observ�es. Le corps noir est un objet id�al (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est...) qui absorberait toute l'�nergie �lectromagn�tique (Les forces �lectrostatiques et magn�tiques peuvent faire d�placer des objets � distance, il semble donc �vident qu'� tout ph�nom�ne �lectromagn�tique est...) qu'il re�oit, sans en r�fl�chir ou en transmettre. Il n'est fait aucune autre hypoth�se sur la nature de l'objet. La lumi�re �tant une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte...) �lectromagn�tique, elle est absorb�e totalement et l'objet devrait donc appara�tre noir, d'o� son nom. L'objet r�el qui se rapproche le plus de ce mod�le est l'int�rieur d'un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de cuire des aliments....). Afin de pouvoir �tudier le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) dans cette cavit�, il est perc� sur l'une de ses faces d'un petit trou laissant s'�chapper une minuscule fraction du rayonnement interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en...). C'est d'ailleurs un four qui fut utilis� par Wien pour d�terminer les lois d'�mission �lectromagn�tique en fonction de la temp�rature. Les parois de l'int�rieur de l'enceinte �mettent un rayonnement � toutes les longueurs d'ondes: th�oriquement des ondes radio aux rayons X. Cette �mission est due � l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques...) des atomes. En effet, la temp�rature mesure l'agitation des atomes (ceux-ci "�oscillent�" autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de leur position). Ce faisant, chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, � que l'on ne peut diviser �) est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) se comporte comme un dip�le (D'une mani�re g�n�rale, le mot dip�le d�signe une entit� qui poss�de deux p�les. On le retrouve dans plusieurs domaines :) vibrant (dip�le form� par le noyau et le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière...) �lectronique), qui rayonne donc de l'�nergie (Dans le sens commun l'�nergie d�signe tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumi�re, de produire un mouvement.). En se r�fl�chissant de paroi en paroi, cette radiation se verra absorb�e et r��mise continuellement sur les parois internes du four, jusqu'� que l'objet atteigne l'�quilibre thermique. La forme de ce spectre (c'est-�-dire la r�partition de la quantit� (La quantit� est un terme g�n�rique de la m�trologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre mani�re de d�nommer la valeur d’une collection ou un...) d'�nergie en fonction de la longueur d'onde) est la signature d'un rayonnement purement thermique, s'appelle donc spectre du corps noir, et ne d�pend que de la temp�rature du four. Peut-�tre paradoxalement, le spectre "continu" (donc en n�gligeant les raies spectrales) des �toiles (ou en tous cas pour la grande majorit� des �toiles ni trop froides ni trop chaudes) est un spectre de corps noir. C'est une bonne approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une...) de la temp�rature de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) de l'�toile (Une �toile est un objet c�leste �mettant de la lumi�re de fa�on autonome, semblable � une �norme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'�toile la plus proche de la Terre.). Pour le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...) par exemple, la temp�rature de surface est d'environ 5800 degr�s. Notons qu'un objet se comporte rarement comme un corps noir, car il r�fl�chit une partie de l'�nergie �lectromagn�tique et en transmet une autre partie, il n'absorbe pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.). Par ailleurs, les atomes ont aussi un mode d'�mission propre de photons, les raies caract�ristiques (ce ph�nom�ne est utilis� pour l'analyse chimique en spectrom�trie d'�mission, de fluorescence (La fluorescence est une �mission lumineuse provoqu�e par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de � lumi�re froide �)....) et d'absorption)�; la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) d�pend l� de la nature chimique de l'objet. Les lois du corps noir Spectre �lectromagn�tique (Le spectre �lectromagn�tique est la d�composition du rayonnement �lectromagn�tique selon ses diff�rentes composantes en terme de fr�quence, d'�nergie des photons ou encore de...) L'exitance �nerg�tique monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumi�re dont la couleur n'est form�e que d'une fr�quence ou, par extension de sens, d'une bande tr�s...) pour une longueur d'onde λ donn�e (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) est donn�e par la loi de Planck�: avec en W.m-2.sr-1.m-1. o� c est la vitesse de la lumi�re (La vitesse de la lumi�re (299 792 458 m/s) a �t� mesur�e d�s le XVIIe si�cle par l'astronome danois Ole Christensen R�mer qui avait observ� en 1676 un retard...) dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), h est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, not�e h, est une constante utilis�e pour d�crire la taille des quanta. Elle joue un r�le central dans la m�canique quantique et a �t� nomm�e d'apr�s le...) et k est la constante de Boltzmann (La constante de Boltzmann k (ou kB) a �t� introduite par Ludwig Boltzmann lors de sa d�finition de l'entropie en 1873. Le syst�me �tant � l'�quilibre macroscopique, mais libre d'�voluer � l'�chelle...). Loi de Wien (La loi du rayonnement de Wien caract�rise la d�pendance du rayonnement du corps noir � la longueur d'onde. Il s'agit d'une formule empirique propos�e par Wilhelm Wien, qui...) Le maximum de ce spectre est donn� par la loi de Wien�: avec λmax en m�tres et T en kelvins. Cette derni�re loi exprime le fait que pour un corps noir, le produit de la temp�rature et de la longueur d'onde du pic de la courbe est toujours �gal � une constante. Cette loi tr�s simple permet ainsi de conna�tre la temp�rature d'un corps assimil� � un corps noir par la seule forme de son spectre et de la position de son maximum. Loi de Stefan-Boltzmann (En physique, la loi de Stefan-Boltzmann[1] �tablit que la puissance totale rayonn�e par unit� de surface dans le demi-espace libre du corps noir (exitance[2]...) D'apr�s la loi de Stefan-Boltzmann, la densit� (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) de flux (Le mot flux (du latin fluxus, �coulement) d�signe en g�n�ral un ensemble d'�l�ments (informations / donn�es, �nergie, mati�re, ...) �voluant dans un sens commun. Plus pr�cis�ment le terme est employ� dans les domaines suivants :) d'�nergie ou densit� de puissance (Le mot puissance est employ� dans plusieurs domaines avec une signification particuli�re :) ou exitance �nerg�tique Mo(T) (en W m-2) �mis par le corps noir varie en fonction de la temp�rature absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à...) T (exprim�e en kelvin) selon la formule: o� σ est la constante de Stefan-Boltzmann (La constante de Stefan-Boltzmann (du nom des physiciens Jo?ef Stefan et Ludwig Boltzmann), not�e (la lettre grecque sigma), intervient pour exprimer la relation entre la temp�rature et l'�nergie rayonn�e par un corps, comme le d�crit la loi de...). Un corps rayonne d'autant plus qu'il est plus chaud. Petit historique Au d�but des travaux sur le corps noir, les calculs de l'�nergie totale �mise donnaient un r�sultat surprenant�: l'objet �mettait une quantit� infinie d'�nergie�! Comme l'�nergie calcul�e croissait lors de l'int�gration du spectre pour les longueurs d'ondes courtes, on a appel� cela la "�catastrophe ultraviolette�". La m�canique (Dans le langage courant, la m�canique est le domaine des machines, moteurs, v�hicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...) classique est l� prise en d�faut et Max Planck en a conclu que le mod�le utilis� pour calculer l'�nergie totale �tait erron�; le mod�le de Rayleigh et Jeans consid�rait en effet un spectre continu. Dans un m�moire (D'une mani�re g�n�rale, la m�moire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) intitul� Sur la th�orie de la loi de la distribution d'�nergie sur un spectre normal et pr�sent� le 14 d�cembre 1900, Planck expose ses d�ductions faites sur ce probl�me et propose alors l'hypoth�se des quanta�: l'�nergie n'est pas �mise de mani�re continue, mais par paquets dont la taille E d�pend de la longueur d'onde�: cela lui a valu le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques éminentes s'étant...) en 1918. La d�couverte de cette quantification des �changes d'�nergie fut un des fondements de la physique quantique�; notamment, mis en corr�lation avec les travaux de Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une...) sur l'effet photo�lectrique (L'effet photo�lectrique d�signe l'ensemble des ph�nom�nes �lectriques d'un mat�riau provoqu�s par l'action de la lumi�re. On distingue deux cas : des �lectrons...), cela permit � Einstein d'inventer le concept de photon (En physique des particules, le photon est la particule �l�mentaire m�diatrice de l'interaction �lectromagn�tique. Autrement dit, lorsque deux particules charg�es �lectriquement interagissent, cette interaction se...) en 1905, qui lui valut son prix Nobel de physique en 1921.	Source: Wikip�dia publi�e sous licence CC-BY-SA 3.0.
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