Phase

Phénomènes périodiques

Physique générale.
La phase d'un phénomène périodique est une grandeur qui décrit l'état de ce phénomène à un instant donné dans son cycle. Pour un phénomène qui se répète identiquement à intervalles réguliers (période T), la phase indique "où en est" le phénomène dans sa répétition. Elle est souvent représentée par un angle (en radians ou degrés) et permet de situer l'instant par rapport à un début de cycle ou à un point de référence (comme un maximum, un minimum ou un passage par zéro). Par exemple, pour une oscillation sinusoïdale décrite par A cos(ωt + φ), la phase à l'instant t est (ωt + φ), où φ est la phase initiale (à t=0).

On parle de déphasage pour désigner la différence de phase entre deux phénomènes périodiques de même fréquence. Le déphasage mesure "l'avance" ou le "retard" d'un phénomène par rapport à l'autre. Un déphasage constant indique que les deux phénomènes conservent la même relation dans leur cycle au cours du temps.

Théorie des ondes.
Dans la théorie des ondes, qu'il s'agisse d'ondes mécaniques (sonores), électromagnétiques (lumière) ou quantiques, la phase représente la position relative d'un point donné dans le cycle de l'onde. Une onde sinusoïdale peut être décrite mathématiquement par une fonction comme y(t) = Asin⁡(ωt+ϕ), où ϕ est la phase initiale. 

• Dans les oscillations mécaniques, la vitesse d'un oscillateur harmonique (comme une masse attachée à un ressort) est déphasée de +π/2 par rapport à sa position : lorsque la position est maximale (ou minimale), la vitesse est nulle, et lorsque la position est nulle, la vitesse est maximale (ou minimale). L'accélération est déphasée de +π (ou +180°) par rapport à la position, signifiant qu'elles sont en opposition de phase : lorsque la position est maximale dans un sens, l'accélération est maximale dans l'autre sens.

• Lors de l'interférence de deux ondes (sonores, lumineuses, etc.) issues de sources synchrones mais ayant parcouru des chemins différents pour atteindre un point, le déphasage entre les ondes à ce point dépend de la différence de longueur des chemins. Un déphasage de 0 ou 2π (ou un multiple de 2π) entraîne une interférence constructive, tandis qu'un déphasage de π (ou un multiple impair de π) entraîne une interférence destructive.  Ce concept est central en optique (interférences, diffraction), en acoustique (battements, harmoniques), ainsi qu'en traitement du signal et en télécommunications.

• Dans un circuit à courant alternatif (comme un circuit RLC), la tension aux bornes d'une bobine est déphasée de +π/2 (ou +90°) par rapport au courant qui la traverse (la tension est en avance sur le courant). La tension aux bornes d'un condensateur est déphasée de -π/2 (ou -90°) par rapport au courant (la tension est en retard). La tension aux bornes d'une résistance est en phase (déphasage nul) avec le courant.

• Dans les systèmes triphasés, couramment utilisés dans la distribution d'électricité, trois tensions sinusoïdales sont décalées de 120 degrés les unes par rapport aux autres, ce qui permet une distribution plus stable et efficace de l'énergie.

Phases de la Lune 
On appelle phase de la Lune, l'aspect du disque lunaire selon l'éclaraige variable au fil de la lunaison. Cela dépend de la position relative du Système Terre-Lune-Soleil. Certaines phases portent des noms particuliers : 

• Nouvelle Lune (phase = 0°) - Lorsque la Lune se lève en même temps que le Soleil, se couche fort peu de temps après, on ne peu généralement pas la voir (l'exception se produisant lors des éclipses de Soleil) c'est la nouvelle Lune (que l'on note souvent pour abréger N. L.). Deux ou trois jours plus tard, nous apercevons cet astre le soir, après le coucher du Soleil, sous la forme d'un faible croissant dont les cornes sont dirigées vers l'Est.

• Premier quartier (phase = 90°) - Ce filet lumineux s'élargit de jour en jour et vers le septième jour, nous voyons un demi-cercle dont le diamètre est situé à l'Est, la Lune passant au mépidien vers six heures du soir et brillant sur l'horizon pendant la première moitié de la nuit: c'est le premier quartier (P. Q.). 

• Pleine lune (phase = 180°) - Le disque lumineux augmente de jour en jour, tandis que son passage au méridien retarde chaque fois de cinquante-deux minutes environ, si bien qu'après une quatorze jours et demi, nous voyons la pleine Lune (P.L.). Elle correspond à l'époque où la Lune passe au méridien vers minuit, nous voyons un disque brillant presque comparable à celui du Soleil, de même diamètre apparent, mais d'un éclat beaucoup moindre, qui éclaire toute la nuit.

• Dernier quartier (phase =270°) - Le lendemain et les jours suivants, elle passe au méridien de plus en plus tard, avec la partie occidentale de son disque de plus en plus rongé, si bien quevers le vingt-deuxième jour, elle ne nous offre plus qu'un demi-cercle, dont le diamètre est situé vers l'Ouest. Elle passe alors au méridien vers six heures du matin, n'éclairant plus que la seconde partie de la nuit, et visible encore le matin à l'Ouest après le lever du Soleil : c'est le dernier quartier (D. Q.). Le disque de la Lune se rétrécit ensuite de plus en plus, et prend la forme d'un croissant dont la largeur diminue de jour en jour et dont les cornes sont dirigées vers l'ouest. A la fin, nous n'apercevons plus qu'un très mince filet de disque, puis nous ne voyons plus rien, car c'est de nouveau la nouvelle Lune.
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Ces phases résultent des positions respectives du Soleil, de la Lune et de la Terre, car c'est le Soleil qui illumine la Lune, et son aspect change suivant la partie éclairée que nous en voyons. Au moment de la pleine Lune, cet astre passe au méridien vers minuit: il est en opposition avec le Soleil. A la nouvelle Lune, notre satellite passe au méridien en même temps que le Soleil : on dit qu'il est en conjonction. La conjonction et l'opposition sont nommées syzygies; le premier et le dernier quartier sont les quadratures (les rayons visuels menés de la Terre au Soleil et à la Lune font entre eux un angle de 90° ou un quadrant); les quatre phases intermédiaires sont les octants. 

Thermodynamique

Les phases de la matière.
Les phases de la matière correspondent à des états distincts dans lesquels la matière peut exister, en fonction de conditions thermodynamiques comme la température et la pression. Chaque phase possède des propriétés physiques spécifiques : structure microscopique, compressibilité, mobilité des particules, énergie interne. Si les plus connues sont les phases solide, liquide et gazeuse, la matière peut adopter d'autres phases, souvent moins intuitives mais fondamentales dans les sciences modernes, comme la phase plasma, les phases cristallines polymorphes, ou encore les phases mésomorphes (comme les cristaux liquides). Dans un système donné, une phase est toujours spatialement distincte et séparée des autres phases par une surface d'interface.

La description thermodynamique des phases repose sur des variables d'état : la température (T), la pression (P), le volume (V), l'entropie (S), l'énergie interne (U), etc. Une même substance peut exister sous différentes phases selon les valeurs de ces variables. Par exemple, l'eau peut être glace, liquide ou vapeur selon la pression et la température.

• Les solides cristallins (ordre à longue portée, comme le quartz),

• Les solides amorphes (désordre interne, comme le verre).

Cristal liquide.
Le cristal liquide correspond à une phase intermédiaire entre solide et liquide, où les molécules gardent un ordre d'orientation (comme dans les cristaux) mais sont mobiles (comme dans les liquides). Utilisation dans les écrans LCD.

Gaz.
Dans les gaz, les particules sont très espacées, se déplacent librement et occupent tout l'espace disponible. Il n'a ni forme ni volume propres. Il est compressible et obéit aux lois des gaz parfaits à basse pression.

Plasma.
Les plasmas sont des gaz ionisés composés de particules chargées (électrons libres, ions). Une telle phase apparaît à très haute température (comme dans les étoiles ou les décharges électriques). Le plasma est conducteur, sensible aux champs électromagnétiques, et constitue l'état le plus courant de la matière dans l'univers.

Condensat de Bose-Einstein.
Prévu théoriquement par Bose et Einstein (1924) et observé en 1995, le condensat de Bose-Einstein est un état ultra-froid de la matière où des bosons occupent un unique état quantique. Les atomes perdent leur individualité et forment une onde collective macroscopique. Il n'existe qu'à quelques nanokelvins au-dessus du zéro absolu.

Condensat de Fermi.
Le condensat de Fermi est analogue au Bose-Einstein mais pour les fermions, où les paires de particules s'associent en comportements collectifs (comme dans la superfluidité de l'hélium-3).

Superfluide.
Un superfluide est un liquide ayant une viscosité nulle, capable de s'écouler sans perte d'énergie. L'hélium-4 et l'hélium-3 en sont des exemples à très basse température. C'est une manifestation macroscopique de la mécanique quantique.

Supersolide.
Le supersolide correspond à une phase hypothétique combinant les propriétés d'un solide (structure cristalline) et d'un superfluide (flux sans friction). Quelques résultats expérimentaux controversés ont été publiés à partir des années 2000.

Matière dégénérée.
La matière dégénérée représente à une phase trouvée dans des conditions extrêmes (étoiles à neutrons, naines blanches), dominée par la pression de dégénérescence dictée par la mécanique quantique (principe d'exclusion de Pauli).

Matière quark-gluon.
La matière quark-gluon est une forme de matière existant à très haute énergie, dans les conditions qui ont existé au tout début de l'expansion consmique (big bang). Les quarks et gluons y sont libres, non confinés dans les protons et neutrons. Étudiée dans les collisions d'ions lourds.

Diagrammes de phase.
Dans les diagrammes de phase, utilisés en physique, en chimie et en science des matériaux, une phase représente également un état stable d'un système à l'équilibre, mais ici dans un espace défini par des variables comme la température, la pression ou la concentration. Un diagramme de phase permet ainsi de visualiser dans quelles conditions une substance est solide, liquide, gazeuse ou dans une phase mixte.

Pour une substance pure, le diagramme (P,T) indique les lignes de transition de phase : fusion, vaporisation, sublimation. Le point triple est une condition unique où les trois phases coexistent en équilibre, et le point critique est la limite au-delà de laquelle la distinction entre liquide et gaz cesse d'exister.

Pour les alliages métalliques ou les solutions, ces diagrammes indiquent les compositions et températures auxquelles se forment les différentes structures cristallines ou mélanges. Ce type d'analyse est fondamental en métallurgie, en pétrochimie ou dans la conception de matériaux nouveaux.

Transitions de phase.
Les transitions (changements) de phase — fusion, ébullition, condensation, etc. — sont des transformations au cours desquelles le système absorbe ou libère de l'énergie (chaleur latente) sans variation de température. Ces transitions sont décrites thermodynamiquement par des discontinuités ou singularités dans certaines fonctions d'état, comme l'enthalpie ou l'entropie.