Polarisation de la lumière

Conférence 3

Nous savons que lumière - Ce onde électromagnétique, pour lequel le changement de vecteurs et se produisant avec la fréquence dans un plan mutuel s'écrit comme suit :

Le vecteur a un effet physiologique sur l’œil. Plage de longueurs d'onde visibles : (0,38 ÷ 0,760) µm ou (0,38 ÷ 0,76) 10 -6 m ou (400 ÷ 760) nm. La plus grande sensibilité de l'œil pour λ = 550 µm (lumière verte).

Souvenons-nous de cela ondes transversales sont appelés ceux dans lesquels les vibrations se produisent dans le sens de leur propagation. Les ondes électromagnétiques sont transversales .

Ayons une source de lumière - une lampe à incandescence. La lumière est le rayonnement électromagnétique total de nombreux atomes. Les ondes émises par la lampe seront chaotiques dans l'espace, se remplaçant rapidement en direction du vecteur (et, par conséquent, de ). Ce rayonnement est lumière naturelle .

Rappelons le résultat de l'addition de deux oscillations perpendiculaires entre elles :

Différence de phase

Lors de l'ajout de deux oscillations harmoniques mutuellement perpendiculaires de même fréquence, en fonction de la différence de phase, l'extrémité du vecteur résultant peut osciller dans un plan ou se déplacer le long d'une ellipse (dans un cas particulier, en cercle).

Polarisation linéaire Polarisation elliptique (droite, gauche)

Polarisation elliptique (droite, gauche) Polarisation circulaire (droite, gauche) une = b

Ainsi, lors de l’ajout de 2 ondes planes parallèles cohérentes, l’onde résultante peut s’avérer être polarisée linéairement, polarisée elliptiquement et polarisée circulairement. D'où le nom de polarisation. La lumière (rayon lumineux), dans laquelle les oscillations du vecteur lumière sont en quelque sorte ordonnées, est appelée polarisé . Plan de polarisation appelé plan parallèle aux oscillations du vecteur. À l'avenir, nous parlerons toujours du plan d'oscillation vectorielle, puisque c'est le vecteur (intensité lumineuse) qui a un effet physiologique sur l'œil humain. Si dans un faisceau lumineux les oscillations de tous les vecteurs se produisent uniquement dans un certain plan, alors une telle onde transversale est appelée polarisé dans le plan ou polarisé linéairement .

Dans le plan de polarisation, tous les vecteurs du faisceau lumineux ont ce plan d'oscillation, r – direction de propagation du faisceau lumineux.

Pour détecter et analyser la lumière polarisée linéairement, des plaques taillées d'une certaine manière dans des cristaux de tourmaline sont utilisées. Il s'est avéré expérimentalement qu'ils ont la capacité de transmettre des vibrations lumineuses uniquement dans une certaine direction vectorielle.

Les appareils qui produisent une lumière polarisée à partir de la lumière naturelle sont appelés polariseurs , et les appareils avec lesquels la lumière polarisée est détectée et étudiée sont analyseurs . Nom commun polariseur et analyseur – polaroïds . Par conséquent, les plaques de tourmaline peuvent être utilisées à la fois comme polariseurs et comme analyseurs. La lumière naturelle peut être représentée sous la forme de 2 faisceaux lumineux de même intensité, mais polarisés dans 2 directions mutuelles.

Beaucoup de gens considèrent la polarisation de la lumière comme un phénomène phénoménal, largement utilisé et utilisé dans la technologie et que l'on ne rencontre presque jamais dans Vie courante. En fait, une telle affirmation n'est pas tout à fait exacte, ce qui a été prouvé dans un article du physicien néerlandais G. Kennen.

Concept général

AVEC point scientifique En termes de vision, la polarisation de la lumière est l'orientation dans l'espace des vibrations lumineuses perpendiculaires à la direction du mouvement des vagues. Un faisceau lumineux est constitué de nombreux éléments simples appelés quanta. La direction de leurs oscillations peut être très diverse. Dans le cas où les quanta diffèrent par une orientation identique, le flux lumineux est dit polarisé. En fonction de la proportion de ces particules dans un rayonnement particulier, le degré de polarisation change.

Filtres

Il existe un certain nombre de filtres capables de transmettre uniquement des rayons ayant une certaine orientation. Si vous regardez à travers eux le flux lumineux polarisé et que vous les tournez simultanément, la luminosité changera. Dans le cas où la polarisation de la lumière coïncide avec la direction de transmission, elle deviendra maximale, et lorsqu'il y aura divergence complète, elle sera minimale. Vous pouvez acheter de tels filtres dans les magasins habituels spécialisés dans la vente de matériel photographique. En les parcourant ciel clair, à condition que le Soleil soit sur le côté, à un certain moment de la rotation, une bande noire deviendra visible. C'est la preuve que les ondes lumineuses émanant de cette partie du ciel sont polarisées.

Figurine Haidinger

À une certaine époque, le célèbre physicien de l'URSS S.I. Vavilov a mené des recherches sur la base desquelles il a présenté théorie intéressante. Selon lui, la polarisation de la lumière est visible sans aucun dispositif auxiliaire par environ une personne sur quatre sur la planète. Cependant, la plupart de ces personnes ne sont même pas conscientes de la présence d’une telle caractéristique dans leur propre vision. En regardant de même ciel bleu une bande jaune à peine perceptible aux extrémités légèrement arrondies apparaît au centre de leur champ de vision. Il y a aussi des taches bleuâtres pâles au milieu et sur les bords. Lorsque le plan de polarisation tourne, la bande tourne également, car elle est toujours perpendiculaire à la direction des vibrations lumineuses. En science, ce phénomène est connu sous le nom de figure de Haidinger. Il porte le nom du physicien allemand qui l'a découvert en 1845. Si vous le remarquez au moins une fois, la capacité de voir cette tache peut être développée. Il convient de noter qu'en utilisant un filtre bleu ou vert, la figure de Haidinger est assez clairement visible.

Exemples de polarisation de la lumière et comment l'éliminer

La polarisation de la lumière provenant d’un ciel clair n’est que l’exemple le plus simple et le plus largement utilisé de ce phénomène. D'autres cas assez courants incluent l'éblouissement qui se produit sur les vitrines en verre et à la surface de l'eau. Si nécessaire, ils peuvent être éliminés à l'aide de filtres polaroïd spéciaux, le plus souvent utilisés par les photographes. Ils deviennent indispensables si vous devez capturer en photo des tableaux ou des expositions de musée protégés par du verre. Le principe de leur fonctionnement repose sur le fait que toute lumière réfléchie, selon l'angle de son incidence, présente l'un ou l'autre degré de polarisation. Ainsi, lorsque vous regardez un éblouissement, vous pouvez facilement sélectionner l'angle du filtre selon lequel il sera supprimé, jusqu'à ce qu'il disparaisse complètement. Les fabricants de lunettes de soleil de haute qualité adhèrent à un principe similaire. Grâce à l'utilisation de filtres polaroïd dans leur verre, il est possible d'éliminer les reflets parasites émanant de la surface d'une autoroute mouillée ou de la surface de la mer.

La loi d'Umov

Toute lumière diffusée du ciel représente les rayons du soleil, qui ont subi de nombreuses réflexions des molécules d'air et se sont également brisés plus d'une fois en cristaux de glace ou en gouttes d'eau. Dans le même temps, le processus de polarisation est caractéristique non seulement de la réflexion directionnelle (par exemple, à partir de l'eau), mais également de la réflexion diffuse. En 1905, il a été prouvé que plus la surface à partir de laquelle une onde lumineuse est réfléchie est sombre, plus le degré de polarisation est élevé. Cela est entré dans l’histoire sous le nom de loi d’Umov, du nom du physicien qui a réussi à prouver cette dépendance. Si l'on le considère à l'aide de l'exemple élémentaire d'une autoroute asphaltée, il s'avère qu'à l'état mouillé elle est plus polarisée qu'à l'état sec.

Application à l'histoire

Bien que le phénomène de polarisation ait été découvert pour la première fois en 1871, les scientifiques n'ont pu l'expliquer en détail qu'au milieu du siècle dernier. Quoi qu'il en soit, il existe des preuves historiques selon lesquelles il était utilisé par les marins vikings pour la navigation il y a plus de mille ans. Dans la plupart des cas, leur principal point de référence était le soleil. Cependant, par temps nuageux, ils utilisaient ce qu'on appelle la pierre du soleil. Il y a tout lieu de croire qu’il s’agissait d’une sorte de minéral transparent doté de propriétés polarisantes. Le point de référence était une bande plus sombre apparaissant dans le ciel. Pour prouver l'hypothèse des historiens et l'efficacité de ce type de navigation, il y a quelque temps, un pilote norvégien a volé à bord d'un petit avion depuis son pays natal jusqu'au Groenland, en utilisant uniquement un cristal de cordiérite, un minéral aux caractéristiques similaires à la pierre de soleil, comme matériau de référence. guide.

Polarisation et insectes

La polarisation de la lumière est visible par de nombreux insectes. Cela est particulièrement vrai pour les abeilles et les fourmis qui, par temps nuageux, grâce à cette fonctionnalité, peuvent naviguer dans la zone et retourner facilement dans leurs habitats. Cette capacité est obtenue grâce à la structure du système visuel. Alors que dans l’œil de l’homme et de tout autre mammifère, les molécules sensibles à la lumière sont disposées de manière aléatoire, chez les insectes, elles sont orientées dans une direction et disposées en rangées bien nettes.

Polarisation de certains phénomènes optiques et objets célestes

Les effets de polarisation sont également caractéristiques de ces phénomènes intéressants. phénomène naturel, comme un halo (arcs lumineux qui apparaissent de temps en temps autour du soleil ou de la lune), les arcs-en-ciel et certains types d'aurores. Cela est dû au fait que dans tous ces cas, la lumière est réfléchie et réfractée simultanément. En d’autres termes, si vous faites pivoter le filtre et regardez l’arc-en-ciel à travers lui, à un certain moment, il deviendra presque invisible. Quant à la polarisation de certains corps astronomiques, l'exemple le plus frappant est la nébuleuse du Crabe, observée dans la constellation du Taureau. Le fait est que le rayonnement lumineux qu'il émet se produit lors du freinage champ magnétiqueélectrons volant rapidement.

Polarisation circulaire

Certaines variétés de coléoptères, dont le dos a un éclat métallique, sont capables de réfléchir les rayons et de les diriger en cercle. Ce phénomène est appelé polarisation circulaire de la lumière. Si vous examinez le reflet métallique du dos de ces insectes à travers un filtre, vous verrez qu'il est toujours tordu vers la gauche. Jusqu'à nos jours, les scientifiques n'ont pas été en mesure d'expliquer la signification biologique de ce phénomène.

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Mario Llozzi

Nous avons parlé plus tôt d'un phénomène découvert par Huygens, pour lequel, comme il l'a sincèrement déclaré, il ne pouvait pas donner d'explication. Un rayon de lumière traversant un cristal de longeron d'Islande acquiert une propriété particulière grâce à laquelle, lorsqu'il frappe un deuxième cristal de longeron d'Islande avec une section transversale principale parallèle au premier, il ne subit plus de biréfringence, mais est normal. Si ce deuxième cristal de longeron tourne, la biréfringence se produira à nouveau, mais l'intensité des deux rayons réfractés dépendra de l'angle de rotation.

Au début du XIXe siècle, ce phénomène a été étudié par l'ingénieur militaire français Etienne Malus (1775-1812), qui a découvert en 1808 que la lumière réfléchie par l'eau sous un angle de 52°45" a la même propriété que la lumière transmise. à travers un cristal de longeron d'Islande, et la surface réfléchissante est, pour ainsi dire, la section principale du cristal.

Ce phénomène a également été observé lors de la réflexion d'une autre substance, mais l'angle d'incidence requis variait en fonction de l'indice de réfraction de la substance. Dans le cas de la réflexion sur une surface métallique, le tableau était plus complexe.

Dans l'ouvrage suivant, écrit la même année, Malus, expérimentant un polariscope, encore décrit dans les manuels de physique sous le nom de « polariscope de Biot » et constitué de deux miroirs situés en angle, parvient à la formulation de la fameuse loi qui porte son nom.

Au moment même où Malus menait ses recherches, l'Académie des sciences de Paris annonçait un concours (1808) pour le meilleur théorie mathématique double réfraction, confirmée par l'expérience. Malus a participé à ce concours et a reçu un prix pour son signification historique ouvrage "Théorie de la double réfraction de la lumière dans les substances cristalisées" substances cristallines"), publié en 1810. Malus y décrit sa découverte et la loi qu'il a trouvée ; pour l'expliquer, il accepte le point de vue de Newton « non pas comme une vérité indiscutable », mais seulement comme une hypothèse qui permet de calculer le phénomène S'étant ainsi déclaré partisan théorie corpusculaire lumière, Malus tente de trouver une explication dans la polarité des corpuscules lumineux, que Newton évoque brièvement à la question 26. Dans la lumière naturelle, comme on l'appelle aujourd'hui, les corpuscules de lumière sont orientés dans toutes les directions, mais lorsqu'ils traversent un cristal biréfringent ou lors de la réflexion, ils sont orientés d'une certaine manière. Malus appelle la lumière dans laquelle les corpuscules ont une certaine orientation polarisée ; ce mot et ses dérivés sont restés en physique jusqu'à ce jour.

Les recherches sur la polarisation de la lumière, commencées par Malus, furent poursuivies en France par Biot et Arago, et en Angleterre par Brewster, qui fut autrefois plus connu pour le kaléidoscope qu'il inventa (1817) que pour ses découvertes importantes dans le domaine du cristal. optique. En 1811, Malus, Biot et Brewster découvrirent indépendamment que le faisceau réfléchi était également partiellement polarisé.

En 1815, David Brewster (1781-1868) complète ces études par la découverte de la loi qui porte son nom : un rayon réfléchi est entièrement polarisé (et le rayon réfracté correspondant a une polarisation maximale) lorsque les rayons réfléchis et réfractés sont perpendiculaires l'un à l'autre. autre.

Dominique François Arago (1786-1853) a établi la polarisation de la lumière du croissant de lune, des comètes et des arcs-en-ciel, confirmant ainsi une fois de plus qu'il s'agit bien de la réflexion du soleil. La lumière émise sous des angles obliques par des liquides chauds est également polarisée. solides, ce qui prouve que cette lumière provient des couches internes de la matière et est réfractée pour en ressortir. Mais le plus important et le plus célèbre découverte Arago est la polarisation chromatique qu'il a découverte en 1811. En plaçant une plaque de cristal de roche de 6 mm d'épaisseur sur le trajet d'un faisceau polarisé et en observant le faisceau la traversant à travers un cristal de longeron, Arago a obtenu deux images colorées de couleurs complémentaires. La couleur des deux images ne changeait pas lorsque la plaque tournait, mais changeait lorsque le cristal du longeron tournait, et les deux couleurs restaient tout le temps complémentaires. Ainsi, si l'une des images était d'abord rouge à une certaine position du cristal du longeron, puis lorsqu'on la tournait, elle devenait successivement orange, jaune, verte, etc. Biot répéta cette expérience en 1812 et montra que l'angle de rotation du longeron cristal de longeron nécessaire pour obtenir une couleur d'image spécifique, proportionnelle à l'épaisseur de la plaque. De plus, Biot découvre en 1815 le phénomène de polarisation circulaire et la présence de substances dextrogyres et lévogyres.

La même année, Biot établit que la tourmaline possède une biréfringence et la propriété d'absorber les rayons ordinaires et de ne transmettre que les rayons extraordinaires. C'est sur ce phénomène que sont basées les fameuses « pinces à tourmaline », conçues par Herschel en 1820 : un simple dispositif polarisant qui est resté inchangé jusqu'à ce jour. Le plus gros inconvénient de cet appareil était la coloration du faisceau. Le prisme proposé en 1820 par le physicien anglais William Nicol (1768-1851) ne présente pas cet inconvénient. Le prisme Nicolas ne laisse également passer que des rayons extraordinaires. La combinaison de deux de ces « Nicols », comme on appelle aujourd’hui ces prismes biréfringents, en un seul appareil, encore largement utilisé, a été réalisée par Nicol lui-même en 1839.

Ainsi, les principaux phénomènes de polarisation de la lumière, qui constituent une branche vaste et intéressante de la physique, désormais incluse dans tous les manuels scolaires, ont été découverts par les physiciens français en sept ans, de 1808 à 1815. Et depuis la découverte de phénomènes aussi intéressants s'est produite sous la bannière de la théorie corpusculaire, il semble qu'elle reçoive une nouvelle confirmation de ces phénomènes.

Représentant l’un des types de rayonnement électromagnétique, la lumière peut être caractérisée par une source et une certaine direction. De plus, il ne faut pas oublier sa dualité. Ainsi, dans le premier cas, elle sera considérée comme une onde et dans le second, comme une particule (photon).

Définition 1

La polarisation de la lumière est l'une des propriétés de tout rayonnement dans le domaine optique. Dans des conditions telles que la polarisation, les vibrations des particules d'un faisceau lumineux dirigé vers une surface transversale se produiront dans le même plan. Dans ce cas, d’autres composants sont coupés.

Concept de polarisation de la lumière

Il sera plus facile de comprendre l'essence de la polarisation de la lumière à l'aide d'exemples spécifiques. Ainsi, vous pouvez imaginer une très longue corde située entre deux points horizontaux, passant à travers un espace dans une plaque de blindage.

Si maintenant vous prenez la corde par une extrémité et formez des vagues, elles atteindront facilement son autre extrémité (mais seulement si elles se forment dans le même plan que l'interstice du bouclier), c'est-à-dire de manière verticale. Essayer de déplacer la corde verticalement entraînera l'amortissement des vagues lorsqu'elles atteindront le bouclier (en raison de l'incapacité de se faufiler à travers l'espace). Ainsi, dans cet exemple, la corde agit comme un rayonnement électromagnétique, le blindage devient un milieu transparent (translucide) et l'espace devient une propriété spécifique du milieu.

Puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle dépendra de deux types de vecteurs d’intensité : électrique et magnétique. Ils ont à leur tour la propriété d'être perpendiculaires constamment les uns aux autres et peuvent former un plan conditionnel perpendiculaire à la ligne de propagation de l'onde elle-même.

La polarisation circulaire de la lumière se produit dans le cas de la rotation des vecteurs d'induction magnétique et champ électrique par rapport à la direction du faisceau lumineux. Dans le cas d'oscillations du vecteur intensité d'un tel champ dans le même plan, une onde électromagnétique polarisée plane (polarisée linéairement) se forme.

Il est intéressant de noter que le rayonnement émis par les atomes d'un même quantique de lumière la lumière sera toujours polarisée. Dans le même temps, le flux lumineux d'une bougie, d'une ampoule, d'un soleil, d'une lanterne, etc. ne sera pas polarisé, ce qui s'explique par le rayonnement de nombreux atomes ayant des polarisations différentes. Cela prive le flux total d'orientation.

Note 1

La polarisation de la lumière dépend largement des caractéristiques de la substance ou de la localisation des atomes. réseau cristallin. Les premières expériences ont été réalisées par des scientifiques utilisant des cristaux, et ce n'est que plus tard que les milieux gazeux (l'atmosphère) sont devenus l'objet de leur attention.

La polarisation de la lumière dépend également de la localisation de l'observateur (photocellule, capteur, etc.). Ceci, à son tour, explique l'augmentation de la polarisation avec l'augmentation de l'angle entre la direction de la lumière provenant de la source et le vecteur indiquant la direction de la ligne de visée. Dans le cas où les directions sont parallèles, on observe déjà l'absence de polarisation (dans des conditions idéales). Une troisième option a également été enregistrée dans la nature (c'est-à-dire une polarisation partielle flux lumineux).

Une configuration similaire se produit dans le cas de l'effet prédominant des oscillations de champ électrique (induction magnétique) de leurs vecteurs. Fait intéressant est que l'œil humain distingue facilement la longueur d'onde (l'aspect couleur de la lumière) et son intensité, mais l'enregistrement de la polarisation elle-même est accessible indirectement. Dans le même temps, la plupart des insectes aux yeux composés sont capables de distinguer parfaitement la polarisation de l'onde, ce qui les aide à naviguer parfaitement dans l'espace.

Le phénomène de polarisation de la lumière dans la nature

La lumière polarisée est constituée d'ondes lumineuses dont vibrations électromagnétiques capable de se propager exclusivement dans une seule direction. Dans la nature, il n’existe que trois types de polarisation :

• linéaire (planaire);
• circulaire;
• elliptique.

Avec une lumière polarisée linéairement, les vibrations électriques seront produites exclusivement dans une seule direction. Il apparaît lorsqu'il est réfléchi, par exemple sur une feuille de verre, ou sur la surface de l'eau. Il existe également des exemples de lumière traversant certains types de cristaux (tourmaline, quartz).

Note 2

La polarisation de la lumière se transforme ainsi en un processus d'ordonnancement des oscillations du vecteur d'intensité du champ électrique d'une onde lumineuse dans des conditions de passage d'un flux lumineux à travers certaines substances (réfraction ou réflexion d'un faisceau lumineux). Le plan de polarisation, dans ce cas, sera un plan qui passe par la direction d'oscillation du vecteur lumière d'une onde polarisée dans un plan et sa propagation.

Le quantum de lumière émis par un atome sera toujours polarisé. Dans ce cas, le rayonnement d'une source lumineuse macroscopique, comme le Soleil, une lampe électrique ou une bougie, s'avérera être la somme des rayonnements énorme montant atomes, dont chacun émettra un quantum en 10 à 8 secondes environ. Dans ce cas, lorsque de la lumière de polarisation différente est émise par tous les atomes, la polarisation de l’ensemble du faisceau subira des changements sur des intervalles de temps similaires.

Définition 2

Pour cette raison, dans le cadre de la lumière naturelle, absolument tous les effets associés à la polarisation sont moyennés, c'est pourquoi on l'appelle non polarisée.

Afin d'isoler la partie ayant la polarisation souhaitée de la lumière non polarisée, on utilise des polariseurs, par exemple de la tourmaline, du spath d'Islande ou des polariseurs artificiels.

En physique également, il existe une lumière polarisée. Il est obtenu des manières suivantes :

• en raison de la réflexion sur les diélectriques, le degré de polarisation dépendra de l'indice de réfraction et de l'angle d'incidence des rayons ;
• en faisant passer la lumière à travers un milieu anisotrope.

Tous les cristaux transparents (à l'exclusion des cristaux optiquement isotropes du système cubique) ont la propriété de biréfringence, c'est-à-dire qu'ils peuvent bifurquer par rapport à chaque faisceau lumineux incident sur eux. Ainsi, lorsqu’un faisceau de lumière étroit est dirigé vers un épais cristal de longeron d’Islande, deux faisceaux parallèles et spatialement séparés émergeront du cristal.

Application de lumière polarisée

Cela aidera à mieux comprendre l'essence et le principe de fonctionnement de la polarisation de la lumière dans la nature. exemples spécifiques Applications de la lumière polarisée :

1. En physique moléculaire (lors de l'étude de la surface et de la structure de la matière, ainsi que lors de l'étude du phénomène de polarisation des molécules de substances). La rotation du plan de polarisation est à la base des méthodes de saccharimétrie (pour déterminer le degré de concentration des solutions).
2. En géologie (lors de l'étude de divers minéraux et produits en lumière polarisée, les géologues sont capables de distinguer : les produits et minéraux, l'origine naturelle et artificielle, les produits faux et réels).
3. En photographie (en réalisant des reproductions de tableaux dans des cadres en verre, les photographes peuvent facilement éliminer les reflets du verre dus à un filtre polarisant placé sur l'objectif).
4. En optique (les jumelles polarisées aident les capitaines des navires à diriger le navire selon la bonne trajectoire, tout en éliminant les reflets lumineux parasites sur les vagues de la mer enregistrés lors de l'observation). Les microscopes polarisants, lors de l'étude des sections les plus fines de minéraux (sections), permettent aux scientifiques de déterminer la structure d'une substance. Au cinéma stéréo, les lunettes polarisées sont utilisées pour créer l’illusion de la tridimensionnalité.
5. En technologie (observé ici large application polarisation de la lumière s'il est nécessaire de réguler en douceur l'intensité du faisceau lumineux). La polarisation est également utilisée pour créer des écrans à cristaux liquides utilisés dans de nombreux appareils (par exemple, écrans d'ordinateur, horloges, minuteries).
6. En astronomie (le processus de décomposition spectrale de la lumière peut devenir un indicateur fiable de la présence eau liquide, sans lequel la formation de la vie terrestre est impossible). Le calcul de l'angle de polarisation permet de déterminer le plus précisément possible la composition du liquide réfractant la lumière.

Ainsi, nous pouvons parler de la variété des applications de la polarisation de la lumière dans la nature et de l'importance d'étudier les concepts de base de ce phénomène.