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appareil à IRM
À la différence de l’imagerie par rayon-X qui fonctionne en envoyant des rayons donnant de vous une image à la façon d’un pochoir, l’IRM, ou l’imagerie par résonance magnétique fonctionne grâce à des propriétés quantiques de l’hydrogène et d’importants dispositifs magnétiques.

Pour fonctionner, on place le patient dans un puissant champ magnétique : 100 000 fois le champ magnétique terrestre, ce qui est suffisant pour que les noyaux d’hydrogène s’orientent tous dans le même sens.
Le corps humain étant majoritairement composé d’eau, et l’eau majoritairement composé d’atomes d’hydrogène, ceci concerne environ 60 % des atomes de notre corps.

On envoie ensuite des impulsions magnétiques (appelées radiofréquences, transversales au champ principal) qui vont détourner les atomes d’hydrogène de leur alignement. Le changement d’orientation des noyaux d’hydrogène va induire un bref courant électrique dans les capteurs de l’appareil :

i
Schématisation du fonctionnement d’un appareil d’imagerie par RMN ↑

Ce sont ces courants électrique qui vont permettre de produire une image. En effet, les différents tissus dans les divers organes du corps sont plus ou moins denses en hydrogène et la réponse électrique de chaque région du corps est donc différente. Chaque région du corps apparaît donc distinctement sur les images finales. Connaissant la cartographie d’un corps « sain », on repère rapidement la présence de choses inhabituelles, comme une tumeur.

L’appareil à IRM ne détecte que les atomes d’hydrogène. La structure particulière du noyau d’hydrogène lui confère un moment magnétique nucléaire non nul, c’est à dire que leur noyau agit comme de petits aimants. L’appareil à IRM ne fait alors qu’exciter ces petits aimants et en détecter la réponse (un courant induit).
Pour accentuer l’effet obtenu à l’écran, on injecte parfois au sujet une solution contenant des éléments sensible aux impulsions magnétique comme du gadolinium, des oxydes de fer ou du manganèse.

L’imagerie basée sur l’orientation des atomes d’hydrogène soumis à un champ magnétique intense fait partie de ces technologies issues de l’astronomie et de l’exploration spatiale. Les nuages d’hydrogène présents dans l’espace sont parfois soumis à des vents stellaires et d’autres sources de champs magnétiques intenses, et ils réagissent à ça. Si de la lumière nous arrive en traversant cet hydrogène, elle est légèrement altérée (par effet Zeeman ou effet Stark), et ces altérations sont interprétables par les astrophysiciens.

Comme pour tant d’autres choses, donc, si vous êtes sauvés aujourd’hui grâce à la découverte d’une tumeur au moyen d’un appareil à IRM, c’est grâce aux investissements faits il y 50 ans dans l’astronomie.

Ressources :

image d’en-tête de Liz West

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heat pump
On dépeint parfois les pompes à chaleur comme des dispositifs ayant un rendement supérieur à 1, ou « sur-unitaire ».
Ceci est bien évidemment faux car un rendement, en physique, ne peut pas être supérieur à l’unité. Aucun système ne produit plus qu’il ne consomme, et ceci est particulièrement vrai quand on parle d’énergie.

Alors d’où vient cette idée à propos des pompes à chaleur ?

Ce dont on parle avec les pompes à chaleur n’est pas un rendement énergétique, mais un coefficient de performance (COP). Ce nombre peut, lui, très bien être supérieur à l’unité, et il n’est pas synonyme de rendement, comme on va le voir.

Le cas du rendement ordinaire

Quand on veut se chauffer, une forme d’énergie est transformée en chaleur. Dans le cas du chauffage électrique, c’est de l’énergie électrique qui est convertie. Si l’on consomme 1 000 Wh d’électricité, alors on produira 1 000 Wh de chaleur. Le rendement maximal sera unitaire, et l’on récupère sous la forme de chaleur ce que l’on injecté en électricité.

Pour le chauffage au gaz ou au bois, le calcul est le même, sauf que l’énergie initiale est sous forme chimique : on brûle le gaz et le bois qui sont transformé en $CO_2$ et d’autres produits en libérant de la chaleur, mais la quantité de chaleur récupérée ne sera jamais supérieure à la quantité d’énergie chimique présente initialement dans le produit.

C’est aussi simple que cela.

Le cas d’une pompe à chaleur

Pour une pompe à chaleur, dans des conditions propices, on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur quand on ne dépense que 100 Wh d’électricité. Le COP de l’installation est alors de 10.

Ce que le COP indique, c’est simplement que la pompe à chaleur est 10 fois plus viable économiquement pour chauffer votre maison que ne le serait un chauffage électrique. Pour qu’une pompe à chaleur soit rentable à l’usage, il suffit que son COP soit supérieur à 1, et bien-sûr, plus le COP est grand, plus il est rentable par rapport à une installation ordinaire de chauffage électrique.

La question qui vient maintenant, c’est de savoir comment on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur avec seulement 100 Wh d’électricité ?

La réponse réside dans le rôle d’une pompe à chaleur : une pompe à chaleur ne transforme pas l’électricité en chaleur, contrairement à un chauffage électrique. Elle déplace de la chaleur, qu’elle prend dehors et dépose à l’intérieur de la maison.
Et c’est ça qui permet d’être aussi rentable : déplacer de la chaleur ne consomme pas beaucoup d’énergie, en l’occurrence avec notre exemple, déplacer 1 000 Wh de chaleur déjà existante ne consomme que 100 Wh d’électricité.

Une pompe à chaleur ne produit pas de chaleur et ne convertit par l’électricité en chauffage. Une pompe à chaleur est là pour déplacer de la chaleur déjà existante.

Quant à l’origine de cette chaleur, qu’il fasse chaud ou froid, il y a de la chaleur (des calories thermiques) dans le sol et dans l’air. La pompe à chaleur est un appareil destiné à la capter et à la transporter. Le sol dehors est refroidit et votre maison est réchauffée. Comme le sol est virtuellement une ressource illimitée de chaleur gratuite, on peut très bien s’en servir pour chauffer tout en polluant moins et en réduisant les factures d’électricité.

Et pour information, votre réfrigérateur fonctionne comme une pompe à chaleur (en fait, d’un point de vue thermodynamique, les deux sont le même appareil). Un circuit de fluides capte la chaleur à l’intérieur du frigo pour l’évacuer sur la grille au dos du frigo : l’intérieur alors appauvri en chaleur, refroidit (et l’extérieur est réchauffé).

Image de Gary Cziko

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the very large array telescope

Deux possibilités existent : soit nous sommes seuls dans l'univers, soit nous ne le sommes pas. Les deux hypothèses sont tout aussi effrayantes.
— Arthur C. Clarke

Une des plus grandes questions existentielles qui soient est « sommes nous seuls dans l’univers ? ».
Au vu de l’immensité inimaginable de l’Univers, je pense qu’il faut être incroyable égocentrique pour penser que oui, mais qu’est-ce que la science a à dire là-dessus ?

L’équation de Drake

Dans l’hypothèse de l’existence de civilisations extra-terrestres, on ne retiendra que celles qui peuvent technologiquement communiquer avec nous.
D’un point de vue scientifique, on peut toujours essayer d’estimer le nombre de ces civilisations présentes dans notre galaxie. On se base alors sur divers paramètres comme le nombre de planètes habitables et la probabilité qu’une de ces civilisations soit contemporaine à la nôtre.

Ce problème et cette méthode de calcul a été transcrit mathématiquement par Frank Drake dès 1961. Son équation initiale — l’Équation de Drake — est celle-ci :

$$N = R^{*} \times f_{p} \times n_{e} \times f_{l} \times f_{i} \times f_{c} \times L$$

où :

  • $N$ est le nombre de civilisations ;

et :

  • $R^*$ est le nombre d'étoiles en formation par an dans notre galaxie ;
  • $f_p$ est la fraction de ces étoiles possédant des planètes ;
  • $n_e$ est le nombre moyen de planètes potentiellement propices à la vie par étoile ;
  • $f_l$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît effectivement ;
  • $f_i$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles apparaît une vie intelligente ;
  • $f_c$ est la fraction de ces planètes capables et désireuses de communiquer ;
  • $L$ est la durée de vie moyenne d'une civilisation, en années.

À partir de ces facteurs, estimées de la façon la plus réaliste possible et en se basant sur le niveau de connaissance actuelle, donne un résultat égal à $10$ civilisations avec laquelle nous pourrions techniquement entrer en contact, rien que dans notre galaxie.

La première conclusion très importante est que ce nombre n’est pas nul.
Ceci ne concerne que notre galaxie, la Voie Lactée. Si on considère qu’il y a environ le même nombre de civilisations dans chaque galaxie, alors le nombre de civilisations dans l’univers visible serait d’environ mille milliards.

Le paradoxe de Fermi

Aujourd’hui pourtant, toutes nos tentatives visant à détecter l’existence de ces civilisations — en cherchant de leur part ce que nous même laissons comme « trace », c’est à dire principalement des ondes radio ou des traces de composés chimiques dans l’atmosphère des planètes (oxygène, méthane…) — ont été infructueuses.

D’où le paradoxe suivant : « si les civilisations sont si nombreuses dans l’univers, où sont-elles ? ». Ce paradoxe est connu sous le nom de Paradoxe de Fermi.

Plusieurs solutions relativement simples à comprendre peuvent apporter des éléments de réponse.

La première c’est que les civilisations extraterrestres intelligentes sont bien là, mais qu’elles ne nous ont pas trouvés (c’est un peu notre cas).
Ceci peut s’expliquer par la taille incommensurable de l’univers. Par exemple, nos émissions radio, les ondes radio que nous avons émis depuis leur découverte il y a environ un siècle, ont parcouru dans l’univers l’équivalent de 100 années lumières autour de la Terre. Ça semble beaucoup, mais ça ne représente que 0,1 % du rayon de notre galaxie…

Une autre hypothèse c’est que les civilisations sont là mais elles ne nous perçoivent pas comme « intelligents ».
Ceci est simple à comprendre : prenons nos ancêtres les plus proches : les chimpanzés. L’intelligence de leur individus les plus malins leur permet de faire un peu de langage de signes et de reconnaître des formes géométriques. Pourtant, l’ADN de l’humain est identique à 98 % à leur ADN. C’est ce dernier 2 % qui nous permet de parler, écrire, calculer, d’envoyer des fusées en orbite… Alors imaginez comment une civilisation juste 2 % plus avancée que nous nous percevrait-elle, si nous même ne voyons pas les chimpanzés comme intelligents ? Même question pour des civilisations 5 %, 10 % ou 50 % plus évolués que nous ?

Inversement, nous ne percevons peut-être pas forcément les signaux extraterrestres car ils sont trop avancés pour nous. Si elles communiquent avec des ondes radio (comme nous), leurs communications sont peut-être suffisamment chiffrées et compressées qu’ils ne semblent à nos yeux que du bruit, sans signification. C’est en tout cas ce que pense Ed Snowden.

Enfin une autre explication est que les civilisations ne sont pas éternelles. Une civilisation qui a existé il y a 50 millions d’années ne peut plus être détectée. Parlant d’immortalité, notre espèce ne l’est pas non plus et si nous ne nous en rendions pas compte assez rapidement, nous nous éteindrons avant de pouvoir garantir notre survie dans l’univers, réduisant à néant la possibilité de rencontrer un jour une civilisation autre que la nôtre.

Si nous voulons découvrir de la vie extra-terrestre, il faut écouter, aller voir ailleurs et perfectionner notre technologie pour faire tout ça. Pour ça, nous ne pouvons nous permettre de rester à notre stade actuel avec les problèmes que l’on rencontre : climat, IA, etc. Ce serait la fin de l’humanité et nous en serions notre propre cause. C’est là ce que pense Stephen Hawking : notre espèce est condamnée si elle n’avance pas sur la plan scientifique.

image de Diana Robinson

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Après avoir discuté pour savoir si le blanc et le noir sont des couleurs ou non, une autre question qui revient souvent avec les couleurs, c’est pourquoi on obtient du jaune en mélangeant de la lumière rouge avec de la lumière verte ?

La synthèse des couleurs

En art, on utilise les trois couleurs primaires que sont le cyan, le magenta et le jaune primaire. En mélangeant ces couleurs entre elles, on peut recréer toutes les couleurs. On appelle cela la synthèse soustractive, car chaque pigment soustrait des longueurs d’ondes de la lumière blanche incidente et l’œil ne reçoit alors plus que ce qu’il reste (et si les pigments sont trop nombreux, il ne reste plus rien et on obtient du noir) :

En science, on entend au contraire plutôt parler des trois couleurs fondamentales, que sont le rouge, le vert et le bleu.
Utilisées sous la forme de lumières colorées (par opposition aux pigments précédents), on arrive ici aussi à obtenir toutes les couleurs avec juste ces trois là. Dans ce cas on parle de synthèse additive, car on additionne différentes lumières colorées pour former des mélanges. Quand on additionne beaucoup de lumière et de toutes les couleurs, le spectre se complète et on obtient de la lumière blanche :

La synthèse additive est celle qui est utilisée sur les écrans (de télé, d’ordinateurs…). Chaque pixel est composé de trois sous-pixels, qui sont rouge, vert et bleu, et dont la lumière permet alors de reconstituer toutes les couleurs.

Si la synthèse soustractive semble assez intuitive, la synthèse additive l’est un peu moins. En particulier le fait que l’on arrive à obtenir du jaune avec de la lumière verte et de la lumière rouge.

Rouge + vert = jaune ?

Pour comprendre pourquoi le rouge et le vert donne du jaune, il faut revenir à l’origine de la notion de couleur.
La lumière est composée d’ondes lumineuses. L’énergie véhiculée par chaque onde lui confère une longueur d’onde bien précise. L’œil est sensible à ça et le cerveau interprète chaque longueur comme une couleur bien précise. La notion de couleur est donc l’interprétation de la longueur d’onde des rayons lumineux.

Si l’on veut être exact, les cellules photosensibles sur la rétine ne sont en réalité sensible qu’à des bandes de longueurs d’onde bien précises, au nombre de trois et centrées autour du jaune, le vert et le bleu-violet. C’est ensuite le degré d’excitation de chaque type de cellule qui permet au cerveau d’interpréter une couleur précise en dehors de ces trois là :

spectre d’absorption des cônes
Spectre d’absorption des différentes cellules de la rétine (image)

Si un photon de couleur rouge arrive dans l’œil, il n’excitera que les cellules dont la bande d’absorption lumineuse passe par le rouge (la troisième en partant de la gauche, sur l’image).
Si des photons de couleur jaune arrive dans l’œil, ils exciteront en majorité les cellules sensibles au jaune et aussi un peu celles sensibles au vert (vu que leur domaine d’absorption se recroise). Le cerveau interprète donc ça comme du jaune.

Maintenant, si deux photons, un rouge et un vert arrivent dans l’œil, les cellules sensibles au rouge et au vert seront excités. Le photon rouge excitera exclusivement la cellule sensible au jaune, et le vert excitera majoritairement la cellule sensible au vert mais également un peu celle sensible au jaune. Quand on fait le bilan, donc, on se retrouve avec la même sensation que si l’on avait envoyé un photon jaune.

Dit autrement, l’œil (le cerveau) ne voit pas la différence entre deux photons jaunes d’un côté et un photon rouge plus un photon vert de l’autre. Pour lui, il s’agit de jaune dans les deux cas.

Rouge + vert + bleu = blanc ?

Maintenant, vous l’avez compris je pense : si l’on mélange les trois couleurs fondamentales en proportions égales, toutes les cellules photo-sensibles de l’œil sont excitées. Le cerveau reçoit alors le signal comme quoi la lumière en question est un spectre complet et il interprète cela comme du blanc. Inversement, la lumière blanche va exciter les trois types de cellules également, mais seules les longueurs d’ondes rouges, vertes et bleues vont réellement avoir un impact sur la perception.
Dans les deux cas, l’œil et le cerveau ne voit pas la différence : pour lui, que l’on éclaire sous la lumière blanche ou avec trois LED (une rouge, une verte et une bleue), le résultat est le même.

En pratique, c’est d’ailleurs comme cela que l’on fabrique des LED à lumière blanche : on combine un petit nombre de longueurs d’ondes pour reformer la sensation de la lumière blanche.

Le spectre lumineux d’une telle lumière étant loin d’être complet, vu qu’il manque toutes les autres longueurs d’ondes intermédiaires, l’énergie véhiculée par la lumière des LED est très faible : c’est pour cela que la lumière LED est dite « lumière froide », et qu’elle ne chauffe pas comme une lampe à incandescence.

Le cas du magenta

Le magenta, comme d’autres couleurs particulières (rose, marron…) ne figurent pas dans les couleurs de l’arc-en-ciel. Il n’y a aucune longueur d’onde correspondante à ces couleurs !
Le magenta est simplement une illusion d’optique, que le cerveau nous propose quand on éclaire avec les deux couleurs situées aux deux extrémités du spectre visible : le rouge et le bleu.

Il en va de même pour le rose ou le marron et bien d’autres couleurs qui n’existent que parce qu’ils sont des mélanges de deux « vraies » longueurs d’ondes.

Une remarque similaire peut être faite pour le blanc et le noir.

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photo du chocolat qui ne fond que grâce à la casserole
Avec une gazinière où une plaque chauffante, la chaleur des flammes ou de la plaque est captée par la casserole par conduction, c’est à dire par contact.

Une plaque à induction en revanche, c’est froid ! Si vous l’allumez et que vous posez votre main dessus, vous ne risquez pas de vous brûler. Posez une casserole ou un objet métallique dessus, et il deviendra très vite très chaud.

Alors quelle science se cache dans cet appareil qui chauffe les éléments métalliques et pas les mains ?
La réponse est l’induction électromagnétique.

Comme l’a montré Maxwell au XIXe siècle, les phénomènes électriques et magnétiques sont couplées : un aimant placé en rotation dans un conducteur va produire un courant électrique, et un courant électrique dans une bobine conductrice en fait un électroaimant. Ceci est très important et c’est ce qui utilisé dans les plaques à induction.

Sous la plaque sur laquelle vous posez votre casserole se trouve une importante bobine de cuivre. Quand on met la plaque en route, un courant électrique circule dans la bobine. D’après ce que je viens de dire, il y a apparition d’un champ magnétique autour.
Quand on approche la casserole, on place en fait cette casserole dans le champ magnétique. Or, notre casserole en métal est elle aussi conductrice d’électricité : le champ magnétique va donc induire un courant électrique, appelé courant de Foucault, dans le fond de la casserole. Enfin, ce courant va chauffer la casserole par effet Joule.

schéma de l’induction
Le courant électrique de la bobine produit un champ magnétique. Ce dernier va induire un courant « de Foucault » dans la casserole, et ce courant va chauffer la casserole.

Pour aller un peu plus loin, si l’on examine les équations de Maxwell, on note que la présence seule d’un champ magnétique ne suffit pas à induire un courant électrique dans la casserole. Il faut en plus que ce champ magnétique soit variant. C’est pour cela que dans une génératrice, l’aimant placé dans la bobine doit tourner pour produire de l’électricité.

Dans une plaque à induction, on produit un champ magnétique variant simplement en envoyant un courant électrique alternatif à haute fréquence dans la bobine : le courant étant alternatif, le champ magnétique produit est variant et le fond de la casserole se voit traverser par un courant électrique qui le chauffe, et la casserole va ensuite réchauffer la nourriture.

Il faut noter plusieurs choses à propos des plaques à induction.
Premièrement, on ne peut utiliser que des casseroles en métal : une casserole en verre ne fonctionnera pas.

Ensuite, la plupart des plaques à induction aujourd’hui détectent la présence de la casserole sur la plaque : le courant induit dans la casserole va à son tour produire un champ magnétique (opposé à celui de la bobine de la plaque), et la présence de ce champ est détectée par des capteurs placés sous la plaque. La plaque s’éteint quand on retire la casserole. De plus, si votre casserole n’est pas assez épaisse, le champ magnétique est insuffisant et la plaque ne la détecte pas. C’est pour cela que les plaques à induction demandent l’utilisation de casseroles spéciales, qui ont bien souvent un fond relativement épais et massif, pour maximiser l’intensité du courant induit et donc l’échauffement.

Enfin, si vous ne vous brûlez pas en posant votre main sur une plaque à induction, une casserole chaude peut avoir réchauffé la plaque (par contact), et vous risque de vous brûler quand même en posant la main sur une plaque qui vient de servir, attention donc.

photo d’en-tête de appliancesonline.com

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

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