Présentation du spectre_électromagnétique

Le Spectre Electromagnétique

Le Spectre ElectromagnétiquePrésentation

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1David Malinvaud

Sr Project Manager

david.malinvaud@gmail.com

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uPartie 1 : présentation du spectre électromagnétiqueuElectromagnétismeØ DéfinitionØ Onde électromagnétiques

Ø DéfinitionØ Nature et propagation

Ø RayonnementuDéfinition du spectre électromagnétiqueØ Présentation du spectre EMØ Déclinaison des ondes électromagnétiquesØ Cas des radiofréquencesØ Organisation du spectre (vue reduite)uPour aller un petit peu plus loin…uQuestions

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uElectromagnétismeuDéfinition

Lerayonnementélectromagnétiquesymbolisel'ensembledesradiationsémisesparunesource(soleil,radar,téléphoneportable,…)

uOndes électromagnétiques

uDéfinitionUneondeélectromagnétiqueestcomposéed’unchampélectriqueetd’unchampmagnétiqueoscillanttousdeuxàlamêmefréquence.C’estaussil'ensembledesfréquencesàlaquellepeutoscilleruneondeélectromagnétique.Cesdeuxchampssontperpendiculairesl’unparrapportàl’autreetsepropagentselonunedirectionorthogonaledansunmilieu;air,espace,…(Maxell-Lorentz).Lesondesélectromagnétiquesconstituentl’ensembleduspectreélectromagnétique.Ellessontgénéréesparlemouvementd’unechargeélectrique,teluncourantélectrique(Maxell-Ampère).Ellesvéhiculentdel’énergiemaispasdematière.

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Champ magnétique (B)

DirectionDistance

Longueur d’onde

Champ électrique (E)

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uNature et propagationLanatureexacted’uneondeélectromagnétiqueestenréalitélapropagation,àlavitessedelalumière,d'unedéformationharmoniquedespropriétésélectriquesetmagnétiquesdel'espace(cf.Fig.1),consécutiveàuneexcitation.Unparallèlepeutêtrefaitavecl’ondequegénèreunegouttequitombeàlasurfacedel’eau(cf.Fig.2).Anoterquelemilieudanslequell’ondesepropagereprendsaformeinitialeaprèsdistorsion.Commeilestànoterquelesondesaudionesepropagentpasdanslevide.

Uneondeélectromagnétiqueestcaractériséepartroisgrandeurs(cf.Fig.3):

Lalongueurd’onde(λ ):c’estlapériodicitédel’oscillationdel’ondedansletempsoul’espace.Elleestmesuréentredeuxpicssuccessifs,représentantlalongueurduducycledel’ondedansl’espace.L’unitéestlemètre(m),correspondantàladistanceparcourueparlalumièreen1/3.108 s(1983,ConférenceGénéraledesPoidsetMesures).

Lapériode(T):c’estletempsquemetl’ondepourréaliseruncycle.L’unitéestlaseconde(s).

Lafréquence(v):c’estl’inversedelapériode,ellesymboliselenombredecyclesparunitédetemps.C'estlenombred'oscillationsduchampélectromagnétiqueparseconde;L’unitéestleHertz(Hz),sachantqu’unHertzéquivautàuneoscillation.

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Fig.1

Fig.2

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Leséquationsincontournables:

Onadmetquel’ondesepropageàlavitesselalumière,soitc=3.108m/s.

V=1/Tλ=c/v

Onconstateainsiquepluslalongueurd’ondeestfaible,pluslafréquenceestélevée.

uRayonnementLerayonnementélectromagnétiquesymbolisel'ensembledesradiationsémisesparunesource(soleil,radar,téléphoneportable,…).

Période

Fig.3

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uEnergie et photonsLesphotonscaractérisentlesatomesd’uneondeélectromagnétique.Ilstransportentdesquantas,oupaquets,d’énergie(E).Chaquephotontransporteainsiunesommed'énergieproportionnelleàlafréquencedel'ondeélectromagnétiqueconsidérée.L’unitéestl’électron-volt(eV).

Leséquationsincontournables:

OnadmetlaconstantedePlanck,soith=6,625.10-34 J.s.

Eestlacharged’énergievéhiculéeparl’ondeélectromagnétique,expriméeeneV.

E=hxvE=hxc/λ

Leséquationsmontrentquel’énergievéhiculéeestd'autantplusgrandequelafréquenceestélevée,etquelalongueurd’ondeestfaible.Ellesdémontrentparailleursquel’énergietransportéeparunphotonestinversementproportionnelleàsalongueurd’onde.

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_EM

_PAR

T1&2

_240

3201

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uDéfinition du spectre électromagnétiqueuPrésentation du spectre EM

Lespectreélectromagnétiqueestconstituédel’ensembledesondesélectromagnétiques,principalementdifférenciéesparleurlongueurd’onde(m)etl’énergiequ’ellestransportent(eV).

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Désignation Bande Longueurd’onde Origine

TremendouslyLowFrequencies

0Hzà3Hz 100.000kmàl’infini Ondesetbruitsélectromagnétiques

ExtremelyLowFrequencies 3Hzà30Hz

10.000kmà100.000km

Ondesducerveauhumain

SuperLowFrequencies 30Hzà300hz

1.000kmà10.000km

Ondesélectromagnétiquesnaturelles,ondesphysiologiqueshumaines,radiocommunicationssubmaritimesmilitaires

UltraLowFrequencies 300Hzà3kHz

100kmà1.000km Ondesoragessolaires,réseauxélectriques

VeryLowFrequencies 3kHzà30kHz

10kmà100km Radionavigation,radiocommunicationssubmaritimesmilitaires,émetteursdesignauxhoraires

LowFrequencies 30kHzà300kHz

1kà10km Radiocommunicationsmaritimesetsubmaritimes

MediumFrequencies 300kHzà3MHz

100mà1km Systèmesdenavigation,radioamateurs,radiocommunicationsmaritimesetaéronautiques

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uDéclinaison des ondes électromagnétiquesLesondesélectromagnétiquespeuventêtreclassifiéesenplusieursgammes,différenciéesparleurlongueurd’ondeetl’énergiequ’ellesvéhiculent.

Cesgammescorrespondentàdeuxfamillesderayonnements:

.Lesrayonnementsionisants(RI):ilssontnocifspourl’hommes’ilsnesontpasmaîtrisés,commedansl’imageriemédicaleparexemple,etmortelsàhautedoseainsiquedanslecasd’uneexpositionprolongée.Ilsgénèrentuneionisationdanslamatièrevivante.

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Designation Bande Longueurd’onde Emploi

HighFrequencies 3MHzà30MHz

10mà100m Radiocommunicationsmilitairesetd’ambassade,transmissionsgouvernementales

UltraHighFrequencies 300MHzà3GHz

10cmà1m Transmissionsmilitairesetaéronautiques,liaisonssatellites,,GSM,PCS/DCS,UMTS,Wifi,Bluetooth,liaisonsgouvernementales

SuperHighFrequencies 3GHzà30GHz

1cmà10cm Systèmesradar,radiodiffusionettélédiffusionparsatellite,Wifi,foursàmicro-ondes

ExtremelyHighFrequencies 30GHzà300GHz

1mmà1cm Radioastronomie,expérimentationsetrecherchesscientifiques,systèmesradar

TremendouslyHighFrenquencies

300GHzà300106 THz

1pmà1μm Spectrelumièrevisibleparl’œilhumain,Ultra-violets,rayonsX,rayonsGamma

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.Lesrayonnementsnon-ionisants(RNI):ilsneprovoquentaucuneionisationdanslamatièrevivantemêmeàfortedose.

Nousdistingueronscesgammesd’ondesélectromagnétiquescommesuit:

uLes rayons cosmiques (RI)Appelésaussiastroparticules,cesontdesradiationsparcourantl’univers,capablesdetraversern’importequelcorpsetd’interféreravecl’ADNhumain(mutation,destruction).Leurfréquenceestsupérieureà1030 Hz,λestsupérieureà10-7μm;E=1020eV.

uLes rayons gamma (RI)Cesrayonsrésultentdesradiationsémisespardesélémentsradioactifs.Ilssonthautementchargéd’énergieettraversentaisémentlamatière.Ilssontdangereuxpourlescellulesvivantes.Intervalleλde10-7 μmà10-5 μm;E=107eVmax.

uLes rayons X (RI)Cesrayonssonthautementénergétiquesquipeuventtraverserlamatière,enétantcependantmoinsnocifsquelesrayonsgamma.Onlesretrouvedanslesdomainesdelamédecine(radiographies),etdelasécurité(contrôledesbagagesdansletransportaérien).Intervalleλde10-5 μmà10-2 μm;E=2,4.105eVmax.

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uLes Ultra-violets (RI)Connuspourêtrenocifspourlapeau,cesrayonssonténergétiquesmaissontstoppésenpartieparlacouched’ozonequinouspréservedeleurdangerosité.Onleurdoitlacouleurbrunâtredenotrepeauaprèsuneexpositionausoleil.Intervalleλde10-2 μmà0,38μm;E=3.103eVmax.

uLe domaine visible (RNI)C’estunebandetrèsétroiteduspectreélectromagnétiquevisibledel’œilhumain.Onydistinguelescouleursdel’arcenciel.Intervalleλde0,38μm(violet)à0,78μm(rouge);E=3,2eVmax.

uL’infrarouge (RNI)C’estlerayonnementqu’émettenttouslescorpsdontlatempératureestsupérieureà-273°K(ditzéroabsolu).Onydistinguelescouleursdel’arcenciel.Intervalleλde0,78μmà106 nm;E=1,6eVmax.

uLes ondes submillimétriques (RNI)CesondessontaussiréférencéessouslevocableTérahertz.Ellessontutiliséesdansledomainedel’astronomiepourétudierlessourcescélestesdurayonnementassocié.L’universétantconstituéavanttoutdematièrefroide,celui-cin’émetpasdelumièrevisible,maisdesondessubmillimétriques.Analysercesondespermetainsid’étudiertouslescorpsinterstellaires,etdecartographierl’univers.Intervalleλde0,1mmà1mm;E =0.00414eVmax.

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uLes micro-ondes (RNI)Appeléesaussiondesradarouhyperfréquences,c’estprécisémentdanscettefamillequel’onretrouvelescommunicationsdetypesWifi,Bluetooth,DETC,ainsiquelatélédétectionetlatélémétrieradar.Cesondesappartiennentàlagammedesradio-fréquences.Intervalleλde1mmà1cm;E=10- 3eVmax.

uLes ondes radio-électriques (RNI)Cesondesappartiennentàlagammedesradio-fréquences,etreprésententlapluslargebandeduspectreélectromagnétique(10kHzà300GHz).Ellespeuventêtreémisesetreçuesplutôtfacilement,émetteuretrécepteurnecommandentpas

unniveaudetechnologieélevé.Intervalleλ> 1cm;E=10-5eVmax.

uCas des radiofréquencesCesondesreprésententlapluslargebandeduspectreélectromagnétique,etvontde10kHzà300GHz.Ellesseconfondentaveclabandedesondesradioélectriques.Lesfréquencesassociéesauxondesradiofréquencessontréglementées.Globalementcesondessontsusceptiblesd’êtredéviéesouatténuées,selonlemilieudanslequelellessepropagent,ouselonlamatièrequ’ellestraversent.

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uOrganisation du spectre (vue réduite)

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INFRAREDAUDIO RADIO WAVES

A B C D E F G H I J K L M

MICROWAVES ULTRAVIOLET X-RAYS

VHF UHF SHF EHF

RADIO FREQUENCY BANDS

VHF UHF L S C X Ku K Ka millimeter

EW & RADAR BAND DESIGNATIONS VISIBLE LIGHT

λ

F

100m 10m 10cm 1cm 1mm

NATOBANDS

OLDBANDS

10Hz 20KHz 100MHz

1km 1m 1nm 1A°

100GHz 100THz 105THz

FREQUENCY (GHz)

0.03 0.25 0.5 1 2 3 4 6 8 10 20 40 60 100

0.78μm 0.6μm 0.5μm 0.4μm

1μm1mm

Γ-RA

YS

RADIOELECTRICAL WAVES10KHz 300GHz

30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz

HFMFLFVLF

30km

1m1km10km30km

RESPONSE OFTHE EYE

Very Low Frequencies(VLF)

Low Frequencies(LF)

Medium Frequencies(MF)

HighFrequencies(HF)

Very HighFrequencies(VHF)

UltraHighFrequencies (UHF)

SuperHighFrenquencies (SHF)

Extremely HighFrequencies (EHF)

300GHz

108THz

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uPour aller un petit peu plus loin…

Pourlesférus,etpourensavoirplus:

uLes équations de MaxwellLeséquationsdeMaxwell,oudeMaxwell-Lorentzdufaitdefaireintervenirlaforceélectromagnétique(Fem)tellequ’elleestdéfinieparLorentz,gouvernentlapropagationduchampélectromagnétiquesousformed’ondessedéplaçantàlavitessedelalumièrec=3.108m/sdanslevide;lavitessedepropagationdépendantdumilieuparcouru(phénomènederéfraction).

Ellessontaunombredequatre:

§ EquationdeMaxwell-Gauss;traitedespropriétésduchampélectriquegénérépardeschargesélectriques.

§ EquationdeMaxwell-Faraday;traitedespropriétésd’unchampmagnétiqueinduitparunchampélectrique.

§Maxwell-Ampère;traitedelacréationd'unchampmagnétiquesoitparcirculationd'unchampélectrique,soitparvariationd'unchampélectriquedanslemêmetemps.

§Maxwell-Fluxmagnétique;évoquelefaitqu'iln'yapasdesourcesmagnétiquescomparablesauxchargesélectriquesdanslecasduchampélectrique.

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uQuestions?…

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