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Les ondes électromagnétiques
Historique
M. Lancelot - Professeur de Technologie
L'électricité n'a pas été inventée, c'est un phénomène présent dans la
nature. Thalès, un savant grec, l'a découvert il y a 600 ans avant J.C :
le frottement d’un morceau d'ambre jaune avec un tissu permettait
d’attirer des petits objets comme de la paille.
A partir du 16° siècle, les scientifiques commencent à étudier
l'électricité. En 1600, l'anglais William Gilbert, médecin de la reine
Elizabeth I d'Angleterre, fait le rapprochement entre le magnétisme et
l’électricité.
1800, l’italien Alessandro Volta met au point la première pile
électrique, premier appareil capable de fournir un courant
électrique continu dans un circuit fermé.
M. Lancelot - Professeur de Technologie
1820, le danois Christian Oersted montre que le passage d'un courant
électrique dans un fil conducteur fait dévier d'aiguille d'une boussole
(création d’un champ magnétique).
Inversement, le mouvement d'un aimant dans une boucle de fil
conducteur crée un courant électrique.
1827, l’anglais Michael Faraday et le
français André-Ampère en déduisent
les fondements théoriques de
l’électromagnétisme.
M. Lancelot - Professeur de Technologie
1864, l’écossais James Clerk Maxwell réalise une synthèse
mathématique des phénomènes électromagnétiques : Les
équations de Maxwell sont quatre équations qui décrivent les
interactions du champ électrique et du champ magnétique.
1888, l’allemand Rudolph Hertz montre qu'une étincelle électrique peut
être reproduite à distance (quelques mètres) sur une boucle de réception.
Cette expérience de propagation prouve les calculs théoriques de Maxwell.
Il déclare que cette expérience ne peut avoir d'application pratique.
Il vient pourtant de réaliser, sans s'en douter, la première liaison radio !
Il en déduit de façon théorique le phénomène de propagation des
champs électriques et magnétiques : les ondes électromagnétiques.
Il décède en 1879 sans avoir pu vérifier ses théories.
Expérience de Hertz
M. Lancelot - Professeur de Technologie
Production d’étincelles
Bobine de Ruhmkorff
C’est un transformateur : le primaire est constitué de quelques dizaines de spires de fil de cuivre tandis que le secondaire est constitué de plusieurs dizaines de milliers de tours de fil. cela permet d'obtenir des tensions de plusieurs milliers de volts.
Pour produire des étincelles en permanence, il est nécessaire de découper le courant circulant dans l'enroulement primaire à l'aide d'un trembleur.
Expérience de Hertz
M. Lancelot - Professeur de Technologie
L'émetteur comprend deux sphères (ou plaques) coupées en son milieu par
un éclateur constitué de deux petites sphères dont la distance peut être
réglée. Les sphères sont reliées à une bobine de Ruhmkorff produisant
l’étincelle entre les petites sphères de l'éclateur.
Le récepteur est une boucle dont les extrémités disposent aussi de deux
petites sphères. L'émission d'ondes électromagnétiques induit un courant
électrique dans la boucle réceptrice qui se traduit par des arcs
électriques.
Emetteur
Récepteur
Expérience de Hertz
M. Lancelot - Professeur de Technologie
étincellespas d’étincelles
En déplaçant la boucle de réception dans l’axe de l’émetteur, les
étincelles avaient leur éclat maximal en correspondance des ventres
tandis qu’elles s’affaiblissaient et s’éteignaient en s’approchant
des nœuds. Ce qui permet d’en déduire une longueur d’onde.
ventre
nœud
Conclusion de Hertz
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Il montre que les ondes électromagnétiques produites avec son oscillateur
ont les mêmes propriétés que la lumière comme la vitesse c ou la réflexion
et en déduit qu’il est probable que lumière et onde électromagnétique sont
de même nature mais différant par leur longueur d’onde.
longueur d’onde : λ
intervalle de temps entre ces deux extrêmes
(Temps en seconde)
λ = c / F
F = 1 / T
Répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur fréquence : spectre électromagnétique
M. Lancelot - Professeur de Technologie
λ = 3 m
Exemples pour les ondes radio :
Radio FM ≈ 100MHz TV ≈ 700MHz Téléphone ≈ 2GHz Wi-F i≈ 2,5GHz
λ = 43 cm λ = 15 cm λ = 12 cm
Rappel sur les puissances :(multiples et sous-multiples selon le Système international)
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Multiples :
k : kilo 103 soit 1000 donc 1 kHz = 1000 Hz
M : Méga 106 soit 1000000 donc 1 MHz = 1 000 000 Hz
G : Giga 109 soit 1000000000 donc 1 GHz = 1 000 000 000 Hz
Sous-multiples :
c : centi 10-2 soit 0,01 donc 1 cm = 0,01 m
m : milli 10-3 soit 0,001 donc 1 ms = 0,001 s
µ : micro 10-6 soit 0,000001 donc 1 µs = 0,000001 s
Applications numériques
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Pour F=100MHzλ = 3.108 / 100.106
= 3 m
λ = c / F
F = 1 / T
Pour F=700MHzλ = 3.108 / 700.106
= 0,43 m = 43 cm
Pour F=2MHzλ = 3.108 / 2.109
= 0,15 m = 15 cm
Pour F=2,5MHzλ = 3.108 / 2,5.109
= 0,12 m = 12 cm
Pour T=20msF = 1 / 20.10-3
= 50 Hz
Pour T=0,4µsF = 1 / 0,4.10-6
= 25 00000 Hz = 2500 kHz = 2,5 MHz
Pour T=64,8µsF = 1 / 64,8.10-6
= 15432,1 Hz = 15,4 kHz
Le système de Hertz
M. Lancelot - Professeur de Technologie
Les ondes produites par l’émetteur de Hertz sont produites sous forme de
"trains de sinusoïdes" dont l'amplitude diminue rapidement : ce sont des
sinusoïdes amorties. Une étincelle produit l’onde électromagnétique (de
quelques MHz) reproduite au rythme du trembleur.
Détection par radioconducteur : le cohéreur
M. Lancelot - Professeur de Technologie
En 1870, le français Edouard Branly observe que de la limaille de fer
compressée dans un tube devient soudainement conductrice de l'électricité à
l'aide d'un dispositif de Hertz. Cette conduction cesse dès que l'on tapote
le tube contenant cette limaille. C’est la découverte du cohéreur.
Galvanomètre
Tube de verre rempli de limaille de fer :Cohéreur
Les améliorations
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1894, le russe Alexandre Popov, observe que la sensibilité des récepteurs
radio était considérablement augmentée si on les reliait à un fil de descente
d'un paratonnerre : c’est la découverte de l’antenne. il parvint à recevoir
distinctement un code à 250 m de distance.
Chaque fois que le cohéreur
reçoit l’émission d’une onde,
l’électro-aimant attire le
marteau qui tape sur le
cohéreur (et le repositionne en
position de réception) tout en
faisant tinter la cloche.
Antenne Sonnette Électro-aimant
Cohéreur
La TSF
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L’italien Guglielmo Marconi, reprend l’ensemble de ces idées en y adaptant
un système de sélection de fréquence, ce qui permet l’utilisation possible
de plusieurs fréquences. Il est considéré comme l’inventeur de la
télégraphie sans fil ou TSF.
En 1896, il réalise une liaison télégraphique de 2,4 km.
En 1899, il réalise une liaison entre la France et l’Angleterre.
En 1901, il réalise une liaison entre l’Europe et l’Amérique.
Ses émetteurs récepteurs installés sur le Titanic ont permis de sauver la vie de plus de 700 passagers.
La modulation
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Les émetteurs à étincelles produisent des ondes électromagnétiques ne
pouvant transmettre que des signaux en tout en rien.
Pour transmettre des signaux comme la parole ou la musique, il faut assurer
l'émission en continu d'une onde électromagnétique à haute fréquence (onde
porteuse ou HF) et la moduler par l’onde sonore à transmettre (signal dit à
basse fréquence ou BF).
1900, le canadien Reginald Fessenden est le premier à transmettre sa voix
à 80km de distance. Il utilise pour cela une modulation de l’amplitude du
signal Haute fréquence.
Différentes sortes de modulation
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La modulation peut s’effectuer :
en amplitude ou en fréquence
Dans le récepteur, il faut extraire (démoduler) de la porteuse HF le signal
BF et l'envoyer dans un haut-parleur.
BF
HF
Modulation d’amplitudeModulation de fréquence
La modulation d’amplitude
M. Lancelot - Professeur de Technologie
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La modulation de fréquence
