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OLYMPIADES DE SCIENCES PHYSIQUES

« Comment rendre son téléphone portable invisible ? »

(Qu’est-ce que l’invisibilité ?)

AITCHEDJI Camille

BERNADSKA Oleksandra

MOSKALYUK Evgenia

SOBKO Mykyta

M. BASSETTI

Terminale S

Lycée Français Anne de Kiev

2014-2015

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SOMMAIRE

INTRODUCTION p. 3

1. LE TELEPHONE PORTABLE : COMMENT CA MARCHE ?

➢ Les données cellulaires, le Wifi, le Bluetooth, le (A)-GPS p.5

➢ Généralités sur les ondes électromagnétiques p.5

➢ Où se trouve l’antenne ? p.8

➢ Le fonctionnement du «mode avion» p.11

➢ Peut –on nous espionner ? p.11

2. ONDES ET MATIERE

➢ Quels matériaux laissent passer ou bloquent les ondes ? p.12

➢ Pourquoi ça bloque ? : recherche des propriétés physiques. p.12

➢ Les métaux. p.12

➢ Interaction ondes/métaux p.14

3. NOTRE DEMARCHE SCIENTIFIQUE

➢ La recherche des matériaux p.17

➢ La housse qui protège des ondes p.19

➢ Fonctionne-t-elle? p.20

CONCLUSION p.24

SITOGRAPHIE p.25

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Introduction

A l’ère du numérique nous sommes de plus en plus exposés et notre vie privée est de plus en plus

« publique ». Aujourd’hui, nous vivons dans un monde de hautes technologies : les PC, les Smartphones, les TV

3D et encore un grand nombre d’autres appareils électroniques que l’on utilise pratiquement chaque jour ont

été créés pour faciliter et améliorer notre vie quotidienne, mais est-ce que vous saviez que ces objets mettent

également notre vie privée en danger ? Vous vous posez la question : comment ? Notre projet se résume à vous

l’expliquer et à essayer de vous montrer qu’il est possible de prévenir l’intrusion dans votre vie privé d’agents

extérieurs. Pour le dire autrement, nous souhaitons essayer de vous rendre « invisible » quand vous le

souhaitez.

Commençons par préciser ce qu’est l’invisibilité : tout le monde dira qu’il s‘agit en fait de l'état d'un

objet ou d'un organisme vivant qui ne peut être vu. Cependant, actuellement, il faut être conscient qu’il n’est

pas nécessaire de rechercher quelqu’un en personne et de le voir avec ses yeux pour déterminer sa localisation

et même l’observer ou l’écouter en direct… Il suffit juste de se connecter au téléphone portable qui est toujours

avec cette personne ... C’est assez inquiétant, voire même effrayant, et c’est pourquoi nous avons décidé de nous

concentrer sur le domaine physique des ondes et en particulier sur celles émises ou reçues par nos téléphones

portables.

Notre téléphone mobile occupe une grande place dans notre vie. On le porte tout le temps et partout

avec nous, quelle que soit l’heure ou la destination. En plus, avec l’arrivée des Smartphones, les capacités des

téléphones mobiles ont nettement augmenté. Ainsi, en quelques dizaines d’années (le premier téléphone

portable grand public a été commercialisé en 1984) on est passé d’un grand bout de plastique avec une antenne

énorme qui pouvait percer la poche, à une miniaturisation des détails de l’appareil afin de le rendre léger,

pratique et performant. De plus, l’appareil a aujourd’hui la possibilité de se connecter à plusieurs types de

réseaux : réseaux cellulaires, 3G par exemple, mais aussi d’avoir accès à l’internet par la Wifi ou par la

connexion de données. Or le fait d’être connecté à quelque chose se résume à être également détectable,

ce qui peut mettre en danger notre vie privée… Le problème de l’invisibilité ne se résume donc pas

seulement à maîtriser l’émission de lumière visible par notre corps mais aussi à maîtriser l’émission

des ondes électromagnétiques de notre téléphone portable. Ainsi, aujourd’hui, la technologie est allé plus

loin car maintenant on peut nous écouter à travers notre portable ou même nous voir par la camera intégrée

sans même qu’on le sache.

Malheureusement notre vie quotidienne est tellement liée et à cet objet qu’on ne peut plus s’en passer,

donc il est à notre avis préférable de trouver un moyen simple de le rendre invisible à volonté ce qui permettra

de nous rendre indétectable auprès des hackers, des agences secrètes comme la NSA (qui a montré récemment

qu’elle espionnait des millions de personnes à leur insu), ou même de nos chers parents qui auraient décidé de

s’équiper pour nous surveiller comme cela se voit dans la reportage du magazine « Zone interdite » intitulé

« Vie privée en danger, pourquoi nous sommes tous concernés ». Notre projet a donc une dimension sociale

dans la mesure où il vise à tenter de trouver des solutions pour préserver notre intimité aux yeux du

public.

En réalité, tout d’abord nous voulions réaliser un rêve d’enfance qui consiste fabriquer une « cape

d’invisibilité » comme dans « Harry Potter ». Mais suite à des nombreuses recherches nous avons constaté que

ce sujet, de par son aspect « fantastique », est assez difficile à réaliser scientifiquement et techniquement

(même s’il semble que des scientifiques travaillant pour l’armée américaine ait réussi à se rapprocher de cet

objectif).

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Aussi, après discussion avec notre professeur de Physique-Chimie, nous avons décidé de rendre plus

concret notre sujet afin de le rendre également plus facile à réaliser avec les modestes moyens dont nous

disposons au lycée. Nous avons longtemps réfléchi sur comment relier la notion d’invisibilité à notre vie

moderne. Nous voulions travailler sur un sujet liant le monde actuel et la physique. Nous avons donc

pensé à nos téléphones portables, car ces derniers temps on entend beaucoup parler de la remise en cause de la

confidentialité de nos informations échangées. En plus, ce sujet avait l’avantage de coller au programme du

cours de sciences physiques de TS où l’on aborde le thème des ondes, de leurs interactions avec la

matière et de la façon de les détecter. C’était donc un bon moyen d’approfondir nos connaissances sur ce

thème où beaucoup de choses restent à découvrir, tout en développant une solution technique à un problème

de société.

Bref, nous espérons que notre démarche vous intéressera, que vous apprendrez des choses avec nous,

et que vous prendrez plaisir à découvrir notre travail de recherche…

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I. Le téléphone portable comment ça marche ?

1. Les ondes électromagnétiques émises lors des communications :

Dans le domaine de la téléphonie mobile, on désigne par onde, une onde radioélectrique. Cette onde

radioélectrique n’est qu’une partie des ondes électromagnétiques observées couramment dans notre quotidien.

Une onde électromagnétique est un transport d'énergie sans transport de matière, créée par deux champs, un

champ électrique E et un champ magnétique B qui varient au même rythme que le courant qui leur a donné

naissance et se déplacent à la vitesse de la lumière. L’onde électromagnétique est la propagation couplée de ces

deux champs. C’est le physicien Maxwell qui a étudié les rapports entre les deux champs, établissant des

équations connues sous le nom d'équations de Maxwell.

Sur le schéma ci-dessus on observe la propagation d’onde électromagnétique dans une repère (X,Y,Z):

- les vecteurs E et B sont perpendiculaires entre eux

ƒ- les vecteurs E et B sont perpendiculaires à la direction de propagation

ƒ- La longueur d'onde λ (la période spatiale) est le trajet parcouru par l’onde durant une période temporelle T :

λ= c/f = c x T (ou “c” est la célérité de la lumière)

- La fréquence de l’onde “f” est :

f = 1/T

Aujourd’hui, les téléphones mobiles utilisent principalement trois technologies dans les différents

domaines de fréquences :

- le GSM (ou téléphonie mobile de 2ème génération 2G) fonctionne sur les bandes de fréquences 900

MHz et 1 800 MHz. La 2G offre un débit limité à 88 Kb/s pour la transmission de données (SMS, photos,

internet…), voire 200 Kb/s pour EDGE qui est la version la plus évoluée. Un téléphone GSM peut

émettre jusqu’à une puissance maximale de 2W pendant un appel et, dans les meilleures conditions de

réception, la puissance peut-être mille fois inférieure (de l’ordre de 0,001 W).

- l’UMTS (ou 3G) passe par les bandes de fréquences 900MHz et 2 GHz. Plus perfectionnée que la 2G, la

3G a popularisé les usages internet et multimédia mobiles grâce à des débits supérieurs à 384 Kb/s (et

jusqu’à 40 Mb/s pour les évolutions 3G+, H+). Cette technologie est aussi largement plus efficace dans le

traitement du signal, puisqu’en conditions de réception optimales, un mobile 3G peut fonctionner à des

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puissances plusieurs millions de fois inférieures à sa puissance maximale (sa puissance maximale est de

0,25W).

- le LTE (ou 4G) fonctionne sur les bandes 800 MHz, 1800 MHz et 2600 MHz précédemment utilisées par

d’autres applications : la fréquence 800MHz, par exemple, servait à la télévision analogique avant

l’arrivée de la TNT. Grâce à de nouvelles technologies de codage, la 4G permet déjà de multiplier par

trois le débit obtenu en 3G pour atteindre 100 Mb/s, et rend ainsi possible en mobilité des usages

comme les appels en « visio » ou la TV en direct.

Les téléphones portables utilisent aussi depuis peu de temps d'autres ondes, comme par exemple le

« Bluetooth ». C’est une technologie de réseau personnel sans fils, c'est-à-dire une technologie de réseaux sans

fils d'une faible portée permettant de relier des appareils entre eux sans liaison filaire. Les appareils Bluetooth

ne nécessitent pas une ligne directe pour communiquer, ce qui rend plus souple son utilisation et permet

notamment une communication d'une pièce à une autre, sur de petits espaces. Le Bluetooth utilise une

technologie radio pour la transmission des données. La norme utilise une bande de fréquences qui se trouve

dans les 2,4 GHz comme mentionné dans le tableau ci-avant. Notons que la première chose qui « protège » un

peu le Bluetooth, c’est sa portée limitée : la majorité des équipements sont des périphériques de Classe 2, dont

la portée excède rarement plus de 10 mètres. La deuxième chose, c’est que les périphériques Bluetooth sont

indécelables par défaut : la majorité des périphériques doivent être explicitement placés en mode détection

pour être vus par d’autres appareils que ceux auxquels ils sont jumelés.

Enfin, le terme Wi-Fi (pour Wireless Fidelity), largement démocratisé aujourd'hui, correspond à un

ensemble de protocoles de communication sans fil par onde radio. Un réseau Wi-Fi permet la transmission de

données sans fil entre les appareils d'un réseau informatique (ordinateur, routeur ou box Internet).

La technologie GPS fonctionne grâce à la réception des ondes aussi. Les informations nécessaires au

calcul de la position des satellites étant transmises régulièrement au récepteur, celui-ci peut, grâce à la

connaissance de la distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées par triangulation.

Le document ci-après résume l’attribution des bandes de fréquences en fonction des

utilisations :

Les Ultras Hautes Fréquences (UHF) ont des assignations très spécifiques en France :

Fréquence Utilisation

225 MHz à 326,5 MHz Bande aéronautique UHF militaire, contrôle espace aérien supérieur, service

aérospatial

326,5 MHz à

328,5 MHz Radioastronomie

328,5 MHz à

328,6 MHz Aéronautique militaire

328,6 MHz à

335,4 MHz Radionavigation aéronautique

335,4 MHz à 400 MHz Bande aéronautique UHF, liaisons satellitaires, militaires

401 MHz Fréquence montante satellitaire (ARGOS)

406 MHz à 406,1 MHz Radiobalise de localisation des sinistres

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430 à 440 MHz Traffic amateur, radionavigation

433 MHz Télécommandes et liaisons domotiques, appareils radio portatifs faible portée LPD

433 MHz

444,6 MHz Appareils radio portatifs faible portée KDR 444 en Suède et en Norvège

446 MHz Appareils radio portatifs faible portée PMR 446 MHz

470 à 790 MHz Télévision bandes IV et V

791 à 862 MHz Télécommunications mobiles 4G et LTE

863 à 865 MHz microphones sans fil

876 à 960 MHz GSM, GSM-R et UMTS

960 à 1 215 MHz Radio Navigation Aéronautique

1 215 à 1 240 MHz GPS L2 code P/Y militaire

1 240 à 1 256 MHz GLONASS

1 260 à 1 300 MHz trafic amateur, Galileo

1 525 à 1 559 MHz liaisons mobiles satellitaires (réception Inmarsat)

1 563 à 1 587 MHz GPS L1 codes C/A civil et P/Y militaire, Galileo

1 591 à 1 610 MHz GLONASS

1 610 à 1 625 MHz liaisons mobiles satellitaires (émission Global star)

1621,35-1626,5 MHz liaisons mobiles satellitaires (Iridium en time division duplex (TDD))

1626,5-1660,5 MHz liaisons mobiles satellitaires (émission Inmarsat)

1710 à 1 880 MHz GSM et 4G/LTE à partir d'octobre 2013

1900 à 1 979 7 MHz UMTS

1980 à 2 025 MHz liaisons mobiles satellitaires (liaison montante Iridium)

2110 à 2 169 7 MHz UMTS

2160 à 2 200 MHz liaisons mobiles satellitaires (liaison descendante Iridium)

2400 à 2 483,5 MHz ISM, Bluetooth, Wi-Fi, télécommandes et liaisons domotiques

2484 à 2 499 MHz liaisons mobiles satellitaires (réception Global star)

2500 à 2 570 MHz télécommunications mobiles 4G

2620 à 2 690 MHz télécommunications mobiles 4G

La communication mobile est assurée grâce à la réception et l'émission des ondes

électromagnétiques. Tout d'abord, le téléphone synthétise la voix de l'utilisateur. Pour cela, le téléphone

possède un microphone convertissant l'onde sonore en signal numérique. Grâce à une puce de conversion

numérique ou analogique, la voix qui parvient de façon analogique par le microphone est convertie en signaux

numériques, qui pourront être transmis. Pour la transmission, le téléphone envoie des ondes

électromagnétiques qui sont captées par des antennes relais, également appelée station de base (ou BTS –

« Base Transceiver Station »), couvrant l’ensemble du territoire et forment des cellules, qui couvrent elles-

mêmes une petite parcelle géographique. Une cellule ne peut assurer la communication que de quelques

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portables simultanément. Les cellules ont donc un très petit rayonnement en agglomération et un très grand

rayonnement en campagne. L'antenne relais transmet ensuite le signal à une centrale, qui transmet à l'antenne

relais la plus proche du destinataire, qui reçoit ensuite le signal.

Un système de téléphonie mobile est ainsi constitué d’un réseau de stations de base, couvrant chacune une

zone, de 300 mètres à 10 km de rayon.

En résumé, un téléphone portable actuel utilise les gammes d’ondes suivantes :

Ondes émises Fréquences

Communication portable Autour de 900 ou 1800 MHz

GPS 1563 -1587 Mhz

Wifi Autour de 2400 MHz

Bluetooth 2402 – 2480 MHz

4 G Autour de 2600 MHz

Où se trouve l’antenne ?

Il y a en fait plusieurs antennes comme le montre le document ci-dessous :

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Une des parties les plus importantes d'un téléphone mobile est l'antenne. Actuellement, la grande

majorité des téléphones sont équipés d'antennes internes. Les antennes internes sont habituellement insérées

dans le corps du téléphone. Le téléphone avec antennes internes n'a pas de parties saillantes. Structurellement,

les antennes de la plupart des téléphones portables sont une broche ou une plaque forme spéciale.

L’antenne est un “convertisseur de champs d'ondes”, elle peut donc servir d’émetteur et de récepteur d'ondes

électromagnétiques.

Pour comprendre le fonctionnement d’une antenne il faut étudier le “Circuit RLC”. C’est un circuit linéaire contenant une résistance électrique “R”, une bobine (ou inductance “L”) et un

condensateur de capacité “C”. Tout circuit d'oscillation est toujours composé au minimum d'un condensateur et

d'une inductance.

a. Premièrement, le condensateur reçoit de l'énergie à partir

de la source de courant continu. La plaque supérieure est chargée

positivement et la plaque inférieure negativement - elle accumule

un excès d'électrons.

б. Les électrons en excès à partir de la plaque inférieure du

condensateur se précipitent à travers la bobine vers la plaque

supérieure et le courant de circuit se produit. Par conséquent, un

champ magnétique est créé autour de l’inductance. Ce champ

magnétique s’oppose aux causes qui lui donne naissance d’après la loi de Lenz et il va dans un premeir temps

freiner l’établissement du courant, puis dans un second temps s’opposer à son extinction si bien qu’il va jouer

le rôle de “ressort” et recharger le condensateur en sens opposé. Le processus peut alors se répéter plusieurs

fois tant que l’énergie du circuit n’est pas dissipée à l’extérieur.

Donc, dans ce type de circuit, la charge du condensateur augmente et diminue

périodiquement. Par conséquent, le champ électrique entre les deux plaques varie

périodiquement : il augmente puis il devient plus faible. Avec la même vitesse change

aussi le courant dans l'inducteur, donc, le champ magnétique change périodiquement

aussi : il augmente, puis diminue. Mais nous ne devrions pas penser que seul le

condensateur crée un champ électrique, et que seul l'inducteur crée le champ

magnétique. En 1864, le scientifique anglais Maxwell a élaboré la théorie qui affirme

que les champs électriques et magnétiques sont observées indépendamment

seulement si chacun d'eux ne change pas au fil du temps. Comme dans ce cas les

champs électrique et magnétique ne sont pas constants, le champ électromagnétique

existe tout autour du circuit RLC.

Pour que champ électromagnétique s’étende sur une longue distance, il est possible de

faire un circuit “ouvert”. Dans ce cas, le champ électromagnétique alternatif existant

entre les plaques du circuit est à l'extérieur et est distribué dans l'espace sous forme

d'ondes électromagnétiques. Les expériences confirment la théorie de Maxwell et

montrent que les plaques du condensateur peuvent être enlevées. Alors, des sections

droites de fils deviennent des antennes, c’est-à-dire un dispositif pour émettre ou

recevoir des ondes électromagnétiques...

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Mais, les oscillations libres peuvent disparaître rapidement parce que l'énergie est emportée par les

ondes dans l'espace environnant. C’est pourquoi, afin de créer des oscillations électriques non amorties un

générateur de courant à haute fréquence est utilisé. C’est l’onde “porteuse”.

Lorsqu’une antenne émet un champ électromagnétique, elle agit à distance sur les électrons à l'intérieur

de l'antenne réceptrice. Ceux-ci sont mis en mouvement sous l'influence d'un champ changeant et se déplacent à

l’une, puis à l'autre extrémité de l'antenne, créant ainsi un courant alternatif appelé “courant induit”.

L’antenne est caractérisée par la fréquence de résonance du circuit qui est déterminée par la formule de

Thomson:

Où « f0 » est la fréquence propre du circuit, en Hertz (Hz);

« L » est l'inductance de la bobine, en Henrys (H) ;

« C » est la capacité électrique du condensateur, en Farads (F).

Le principe de communication téléphonique repose donc sur la fonctionnement de l’antenne. :

L'émetteur comprend un générateur de haute

fréquence pour fournir la puissance de rayonnement

nécessaire. Le modulateur forme une fréquence dite

porteuse à laquelle le récepteur est accordé. Ce

processus est appelé la modulation et permet d’associer

à une onde à une onde à transmettre une fréquence plus

élevé sans modifier son amplitude ni sa forme. Enfin, le

transmetteur est équipé d'une antenne d'émission.

Dès que l’on commute le générateur sur

l’antenne émettrice, l’énergie électromagnétique

véhiculée par l’onde se répartit dans l’espace sur une

surface sphérique (ou hémisphérique) centrée sur

l’antenne, aussi appelé “le front d’onde” (voir le schéma

ci-contre).

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L’antenne de réception capte plusieurs ondes d'émetteurs fonctionnant à des fréquences différentes.

Par conséquent, il est nécessaire de séparer le signal de porteuse destiné à cette antenne. C’est pourquoi,

l’antenne est équipée d’un démodulateur (aussi appelé « filtre ») qui comporte un circuit « RC ». C’est un dispositif

utile pour séparer les ondes de basses fréquences (signal vocal à transmettre par exemple) des ondes porteuses

du signal.

Pour conclure, l’antenne est un circuit oscillant ouvert, servant à l'émission ou la réception de ondes

électromagnétiques. Elle a pour fonction de transformer l’énergie électrique transportée par le courant en

énergie électromagnétique transmise dans l’espace. La longueur de l'antenne doit être d’autant plus grande que la

longueur d'onde est plus longue. Chaque antenne de réception doit ainsi être adaptée d'une part à

l'environnement où on l'implante et d'autre part aux caractéristiques des ondes qu'elle veut capter ou émettre.

Le “Mode Avion” :

Dans le fonctionnement de téléphone il est prévu une possibilité de le mettre sur un “mode avion”. Mais

est-ce que cela veut dire que ce téléphone est alors impossible à espionner? Lorsqu'un Smartphone ou une

tablette est réglé sur le « mode avion », toutes les connexions réseau sont coupées (Réseau de téléphone,

Internet, 3G et Wifi, Bluetooth). Mais bien que les technologies qui transmettent des signaux radio telles que

Bluetooth et Wi-Fi soient complètement désactivées, dans le même temps, la réception en radio FM et GPS

restent possibles… En effet, dans un avion ou dans certains lieux comme les hôpitaux, les connexions réseau des

Smartphones et des tablettes connectées en 3G peuvent créer des interférences. Le mode « avion » a donc été

conçu pour que les téléphones puissent rester allumés, sans perturber le fonctionnement de certains appareils

électroniques.

Cependant, il a été constaté que l'iPhone peut provoquer des dysfonctionnements des appareils de

navigation des avions même avec le mode « avion » activé. On peut en déduire qu’il reste des ondes émises

donc détectables et interceptables, et que l’antenne n’est pas complètement bloquée …

Les possibilités d’espionnage :

Premièrement, on peut facilement espionner un téléphone, si on charge un logiciel espion dans le

téléphone de la personne à surveiller : une fois installé et activé, vous pourrez ainsi écouter l'environnement et

les conversations en direct (ou en différé en activant l'enregistrement inclut dorénavant en standard), et vous

serez informé de toute l'activité entrante et sortante du mobile et de tout le contenu du mobile !!

Mais ce n'est pas le cas qui nous intéresse le plus.

Le téléphone peut aussi être utilisé comme « radio balise », grâce à l’appoint du système GPS, et il permet donc

de suivre tous les déplacements et localiser un porteur de téléphone au mètre de prés.

Il est également possible grâce aux réseaux cellulaires de téléphone de « s’accrocher » à une ligne. Grâce

à une antenne, dont le fonctionnement a été vu auparavant, il est possible de capter les ondes émises par le

téléphone portable. Une antenne spéciale à grande sensibilité, grâce à un signal un peu plus fort que celui de

l'antenne officielle de l'opérateur, peut forcer les téléphones portables aux alentours à se connecter

automatiquement sur elle. Une fois la communication établie via cette antenne, l'appel est redirigé afin que la

personne qui passe le coup de fil puisse joindre son correspondant. Mais toutes les ondes de cet appel passent

d’abord par la première antenne et la conversation peut être écoutée.

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Par ailleurs, certaines antennes peuvent suivre à tout instant un téléphone, qui devient donc en quelque

sorte un microphone d’ambiance qui enregistre non seulement les conversations de porteurs mais aussi tout se

qui se passe autour de lui.

II. Ondes et matière :

Les matériaux bloquant les ondes :

Tous les matériaux de type métallique ralentissent et réfléchissent les ondes. La pierre, la brique, le

béton ou encore la céramique, les matériaux denses ont également une capacité à ralentir la pénétration des

ondes. Mais c’est essentiellement l’ensemble des métaux conducteurs tels que le cuivre, le fer, l’acier, l’or,

l’argent, etc… qui ont la meilleure capacité à bloquer les ondes.

On peut classer ces matériaux de type métallique en trois catégories :

Les ferromagnétiques

Les paramagnétiques

Les diamagnétiques

Exemples : Fer, cobalt, nickel et leurs alliages.

Exemples : Aluminium, platine, manganèse, sodium

Exemples : Cuivre, zinc, plomb, or, argent, silicium, alumine

Pourquoi ? Une explication scientifique :

Les ondes électromagnétiques sont véhiculées par un champ électrique et un champ magnétique.

Dans les matériaux conducteurs, comme les métaux, les électrons libres se déplacent de façon à annuler à

l'intérieur du matériau le champ électrique. Cela rend impossible la propagation du champ à l'intérieur d'un

métal.

Mais soyons un peu plus précis. Dans une enceinte grillagée, (grillage en métal conducteur), le champ

électrique est amoindri. Or l’onde électromagnétique ne peut se propager si l’un de ses deux champs est nul.

Plus les mailles du grillage sont étroites, plus la longueur d’onde minimum bloquée sera petite.

Un métal, qu’est-ce que c’est ?

La structure d’un métal : Les métaux sont constitués par des atomes juxtaposés et fortement liés. Ils

suivent un alliage ordonné.

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Exemple de vue « en coupe » d’un métal

Dans un métal, les électrons sont faiblement liés au noyau et ils peuvent facilement en être arrachés. Les

atomes sont alors transformés en ions positifs. Les électrons arrachés aux atomes sont mis en commun entre

tous ces atomes. Ils constituent un « nuage » ou « gaz » électronique qui assure la cohésion de l’ensemble. Tous

les atomes ont alors perdu au moins un électron.

Cette « liaison métallique » relie alors ensemble ces ions positifs. Chaque charge positive est entourée d’une

charge négative. Cette cohésion assure la liaison métallique. La liaison est alors très intense : 5 eV environ.

On rencontre trois structures fréquentes dans les métaux : La structure « cubiques centrée » qu’on rencontre

dans le fer et le chrome par exemple ; la structure « cubique à faces centrées » qu’on retrouve dans l’aluminium,

le cuivre et le nickel et enfin la structure « hexagonale compacte » présente dans les métaux tels que le zinc, le

magnésium, le zirconium et le titane.

Structure cubique centrée

Structure cubique faces centrées

Structure hexagonale compacte

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Les bandes de conductions :

Les propriétés électriques particulières des matériaux métalliques sont expliquées par la théorie des

« bandes d’énergie ».

Les bandes d’énergie correspondent aux niveaux d’énergie qui sont permis ou interdits, aux électrons

des éléments ou des composés formant un matériau solide. La dernière bande remplie est appelée bande de

valence et la bande immédiatement supérieure est la bande de conduction. La bande d’énergie comprise entre

ces deux bandes est appelée bande interdite ou « gap ». C’est la valeur de l’énergie de cette bande qui va fixer

les propriétés électriques du matériau. Pour les métaux qui sont conducteurs, cette bande interdite n’existe

pas. La bande de valence et la bande de conductions se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer

directement dans la bande de conduction et circuler dans tout le solide : la conductivité est bonne. La

conductivité des différents métaux est liée au nombre d’électrons et à l’aisance avec laquelle ils peuvent

répondre aux sollicitations d’un champ électrique.

Emission et réception des ondes dans les métaux :

Que se passe-t-il lorsqu’un le métal reçoit une onde ?

Quand on applique un champ électrique « E » à un métal, le métal sort de son état d’équilibre

électrostatique. Les électrons de la bande de conduction interagissent avec le champ électrique et créent un

courant électrique. Ils sont mis en mouvement qui est en moyenne ordonné et transportent avec eux leur

charge et leur énergie.

Mais intéressons-nous plutôt à l’interface entre le vide (ou l’air assimilé au vide) et un métal. On étudie

généralement le cas d’une onde plane polarisée rectilignement qui arrive sur l’interface avec une incidence

normale. Dans le domaine des basses fréquences, l’amplitude de l’onde transmise est faible et l’onde s’amortit

rapidement. L’onde est pratiquement entièrement réfléchie avec un déphasage « π ». Dans ce domaine de

fréquences, le métal se comporte comme un miroir. Par exemple, les tubes métalliques sont utilisés pour

imposer une propagation guidée.

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Remarque : Pour une certaine longueur d’onde, Il faut noter que plus la fréquence est basse, plus il est

difficile de blinder, car cela oblige à avoir des épaisseurs de métal plus grandes.

Lorsqu’une onde traverse un métal, il ne faut pas oublier de prendre en compte une notion importante à la

propagation d’une onde dans un métal : l’épaisseur de peau « δ ». Elle exprime sur quelle longueur une onde

électromagnétique est atténuée dans le métal ; il n’y a pas propagation au-delà de cette longueur.

On calcule « l’effet de peau » par la relation :

Avec :

: conductivité électrique en Siemens par mètre (S/m)

: perméabilité magnétique en Henry par mètre (H/m)

f : fréquence de l’OEM ou du courant qui nait à cause d’elle en Hertz (Hz).

Interaction ondes/métal

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III. Notre démarche scientifique : Notre démarche :

On se propose de chercher à concevoir une house ou une coque de téléphone portable permettant de

bloquer les ondes émises et reçues par celui-ci. Nos buts principaux sont de rendre cette coque, facilement

accessible au niveau du prix dans le commerce et ergonomique. Elle doit permette à l’utilisateur de supprimer

toute trace de suivi, de devenir « invisible ». Il pourra alors effectuer ses faits et gestes en toute sérénité.

Pour cela nous avons suivi une certaine démarche expérimentale. Dans un premier temps on se propose

de tester quels matériaux peuvent laisser passer les ondes émises par un cellulaire.

Mesures d’ondes électromagnétiques :

Le Teslamètre :

Afin de mesurer les ondes émises, on utilisera un Teslamètre c’est-à-dire un détecteur de champ

magnétique car les ondes électromagnétiques sont constituées d’un champ magnétique associé à un champ

électrique, les deux se propageant à la vitesse de la lumière en vibrant ensemble à même fréquence comme l’a

démontré le fameux physicien Maxwell. Le Teslamètre est le seul outil de mesure dont nous disposions au lycée

« Anne de Kiev ».

Comment marche un Teslamètre en pratique ? C’est un appareil qui mesure le champ magnétique en

Tesla (T). Le Teslamètre de notre laboratoire mesure des valeurs comprises entre 10mT et 200mT environ.

Plus la valeur est élevée et plus l’onde émise a une amplitude importante. On a donc mesuré les champs

magnétiques présents autour du téléphone portable et vérifié que c’est au niveau des antennes qu’ils sont le

plus importants. Cela nous a permis de vérifier la localisation des antennes pour les modèles de portables en

notre possession et de vérifier plus tard que notre housse était efficace même en ces endroits-là.

Valeurs mesurées

Photographies

Au niveau d’une antenne (valeur maximale mesurée)

3mT environ

Ailleurs

Moins de 1mT

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En pratique, nous avons placé le téléphone portable sur une potence, puis nous avons positionné

la sonde du Teslamètre sur une autre potence en face du téléphone portable :

- Nous avons réalisé 8 points de mesure sur la face avant du téléphone

- Ensuite nous avons également réalisé 8 points de mesure sur la face arrière

- Après, nous avons mesuré 4 points de mesure sur les côtés droit et gauche

- Enfin, nous avons réalisé 2 mesures au-dessus et deux mesures en dessous.

- Au total nous avons réalisé 28 mesures.

- La sonde était à chaque fois placée à 1 cm du téléphone.

- La valeur maximale mesurée a été de 3,25 mT. Elle correspond à l’antenne.

- La valeur minimale a été de 0,05 mT.

- Bien entendu, nous avons dû éliminer les composantes du champ magnétique terrestre.

Pour ce faire, on a fait le « zéro » grâce à un petit bouton spécial situé en bas du Teslamètre. Ce

réglage du « zéro » s’est fait loin de toute source de champ magnétique.

Test des matériaux bloquant les ondes :

On a décidé d’étudier différents matériaux ainsi que leur capacité à assurer un certain « blindage »

électromagnétique :

Plaques de Cuivre

assemblées

Plaques d’Aluminium assemblées

Couverture de survie

Papier aluminium

ménager

Paille d’acier

Capacité de « blindage » électromagnétique

Non

Non

Oui (avec 7 couches)

Oui (avec 1 à 2 couches)

Oui (avec 1à 2 couches)

Photos

Commentaires

On peut

supposer que

nos

réalisations

d’ « abris »

métalliques

possédaient

certains

défauts de

constructions.

On peut

supposer que

nos

réalisations

d’ « abris »

métalliques

possédaient

certains

défauts de

constructions.

La couverture de

survie est très fine

et elle ne possède

qu’une seule face

de polyester

métallisé d’où les

7 couches.

La paille d’acier

et l’aluminium

possède des

mailles fines ce

qui peut bloquer

une petite

longueur

d’onde.

La paille

d’acier et

l’aluminium

possède des

mailles fines

ce qui peut

bloquer une

petite longueur

d’onde.

18

Test complémentaires pour les matériaux retenus :

La paille d’acier :

En ce qui concerne la paille d’acier, nous avons testé tout premièrement son efficacité avec un IPhone.

Une seule couche suffisait pour que le téléphone ne reçoive plus l’appel émis à quelques mètres de celui-ci.

Pour un téléphone plus classique comme un Samsung par exemple, il a fallu que le téléphone soit recouvert de

deux couches pour que l’appel ne soit plus reçu.

Le papier aluminium :

Le papier aluminium lui ne présente pas les mêmes caractéristiques que la couverture de survie bien

qu’ils soient tous les deux d’épaisseur très fine. Avec un IPhone, une seule couche de papier aluminium a suffi

pour que celui-ci ne reçoive plus d’appel et deux couches également pour un téléphone plus classique.

On peut dire que le papier aluminium et la paille d’acier font l’effet d’une « Cage de Faraday » face aux

ondes électromagnétiques du fait de leurs mailles cristallines très étroites.

19

IV. Notre réalisation finale : La house :

Comment l’a-t-on confectionnée ?

On a décidé de fabriquer une housse pour téléphone portable qui pourrait être utilisée simplement

pour se protéger de l’espionnage à différents niveaux.

On a utilisé quatre types des matériaux : un tissu doux pour l’extérieur, de la paille d’acier, du papier

d’aluminium et une doublure en tissu synthétique.

La housse couvre tout le téléphone. Tout d’abord une couche de paille d’acier permet par plusieurs

diffractions successives l’étalement de la direction de propagation de l’onde et donc une diminution de son

intensité, ainsi que la réflexion d’une partie des ondes. Le téléphone est ensuite recouvert par une couche de

papier d’aluminium qui assure l’absorption et la réflexion de toutes les ondes électromagnétiques restantes. On

a décidé d’utiliser les deux matériaux pour mieux protéger le téléphone et assurer la fonctionnalité de la housse

même en cas de déchirement au niveau d’une couche.

Les tissus n’ont pas une fonction de blindage pour notre expérience, mais seulement une fonction

esthétique pour rendre le produit plus attractif.

20

Fonctionne-t-elle ?

Absorption/ Réflexion des ondes par notre blindage électromagnétique : La house :

Schéma représentant l'absorption/réflexion par un blindage électromagnétique

On a utilisé le tableau suivant pour pouvoir effectuer certains calculs. Dans notre cas, on a utilisé les

données de l’acier commercial et de l’aluminium :

Avec :

: conductivité électrique en Siemens par mètre (S/m)

: perméabilité magnétique en Henry par mètre (H/m)

21

Absorption des ondes par la house :

Pour calculer l’absorption d’un blindage électromagnétique comme notre house on utilise la relation :

EB (dB) = 8,70 x e/ δ

Où « EB » est « l’efficacité du blindage », « δ » est l’effet de peau qu’on a abordé précédemment, et « e »

est l’épaisseur de la paroi.

Premièrement, on a calculé l’effet de peau avec la relation énoncé précédemment :

Calcul de l’effet de peau :

Effet de peau de l’aluminium à la fréquence de 900 MHz par exemple :

δ₁ = 1/√(π x 0,61 x 1 x 900.106)

δ₁ ≃ 24.10-6 m = 24 m.

Effet de peau de l’acier commercial à la fréquence de 900 MHz par exemple :

δ ₂ = 1/√(π x 0,15 x 200 x 900.106)

δ₂ ≃ 3.10-6 m = 3 m.

D’où δ = δ₁ + δ₂

δ = 27 m.

Donc l’effet de peau total de notre house est environ égal à δ = 27 m.

Calcul de l'efficacité de blindage pour l’absorption :

Ici dans notre cas, on a les données suivantes :

Aluminium : e = 0,000004 m (épaisseur de l’aluminium = 4 µm soit 4x10-6 m) et δ₁ ≃ 24.10-6 m = 24 m.

Acier : e = 0,001 m (épaisseur de la paille d’acier e = 1 mm soit 1x10-3 m) et δ₂ ≃ 3.10-6 m = 3 m.

On obtient donc :

EB = 8,70 x 0,000004 / 24.10-6 = 1,45 dB pour la couche d’aluminium.

EB = 8,70 x 0,001 / 3.10-6 = 2900 dB.

On a donc une efficacité de blindage pour l’absorption qui est égale à 2900 dB.

Les calculs sont sans doute à reprendre car la différence entre les résultats obtenus pour l’aluminium et l’acier sont

trop importantes. Il semble que seul le résultat obtenu pour l’aluminium soit acceptable.

Réflexion par un blindage électromagnétique tel que celui de notre house :

On utilise la relation encadrée en rouge car elle correspond à celle de l’onde plane. C’est ce type d’onde

qu’émettent en général les antennes.

22

Où f est la fréquence en Hz, r est la distance de la source à la paroi en m, µr la perméabilité

relative du matériau, r est la conductivité relative du matériau par rapport au cuivre.

Données : f = 900 MHz soit 900x106 Hz (valeur correspondant à la fréquence des communications

téléphoniques) ; µr =201 ; et σr = 0,76.

On a :

R = 168 + 10 log (0,76/ 201X 900x106)

R ≃ 113,32

Donc la réflexion de notre blindage électromagnétique est égale à 113,32 dB

On remarque que l’absorption de notre house est très faible tandis que et la réflexion de notre house

est très élevée. On peut donc en déduire que notre house réfléchie beaucoup plus qu’elle n’absorbe les

ondes. Elle constitue donc un blindage électromagnétique.

Test de la house :

Pour s’assurer simplement de l’efficacité de la housse que nous avons fabriquée on a effectué différents

tests : D’abord un test de mise en pratique qui permet de voir si le téléphone mis dans sa housse est accessible

ou pas, par appel téléphonique ou par internet. Puis, on a réalisé des mesures avec un détecteur pour avoir la

preuve que le téléphone n’émettait plus d’ondes électromagnétiques.

1er test : Appel téléphonique :

En effectuant dans un premier temps l’appel téléphonique, si le téléphone est mis dans la housse, on

constate qu’il se trouve en zone d’inaccessibilité, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de réseau téléphonique. Mais une

fois qu’il est retiré de sa housse, le message notifiant une tentative d’appel arrive très vite.

Dans un deuxième temps, on vérifie par exemple avec Skype* que l’abonné n’est pas « online » pour

ceux qui veulent l’appeler quand le téléphone est dans la housse, tandis qu’il apparait dans le liste

immédiatement après lorsqu’on le retire de la housse. Cela prouve que l’utilisation de réseaux cellulaires et

internet est impossible pour le téléphone lorsqu’il est dans la housse et qu’il devient dès lors inaccessible donc

« invisible ».

(* Skype est un logiciel gratuit qui permet aux utilisateurs de passer des appels téléphoniques avec ou sans

vidéo via Internet.)

23

2ème test : Le détecteur :

Nous avons acheté à Kiev un appareil qui détecte toutes les ondes électromagnétiques (Wifi, données

cellulaires…). On peut réguler sa sensibilité. Il émet des sons de plus en plus aigus lorsque que l’amplitude de

l’onde augmente. Il peut également vibrer. Quatre voyants sont présents et correspondent à l’intensité.

a. Test sans la house :

Avec la sensibilité la plus faible possible et en ayant allumé le Bluetooth et les données cellulaires on remarque

que l’appareil vibre, grince et on peut voir sur la photo que les quatre voyants sont tous au rouge. Cela prouve

une très forte émission d’ondes par le téléphone portable, qui est détectable même avec la faible sensibilité.

b. Test avec la house :

Avec le même réglage de sensibilité du détecteur, en ayant également allumé le Bluetooth et les

données cellulaires, on constate un silence complet de la part de l’appareil et on voit sur la photo, qu’aucun des

quatre voyants n’est allumé. Cela montre que le téléphone portable mis dans la housse que nous avons fabriqué

n’émet plus d’ondes suffisamment puissantes pour être détectées. Notre housse fonctionne donc correctement.

24

Conclusion de notre démarche de recherche :

Pour faire une petite conclusion de ce travail de recherche, nous pouvons dire qu’il nous a permis

d’étudier de plus près les phénomènes ondulatoires qui sont en permanence dans notre environnement à

travers le téléphone portable ainsi que leurs interactions avec les matériaux. Après plusieurs essais nous avons

réussi à créer un objet qui permet de s’en « échapper » ou plutôt de s’en protéger. Nous avons mis au point une

house, qui après plusieurs essais montre qu’on ne peut plus détecter aucune onde émise par un téléphone

portable. Nous devenons alors « invisibles ».

Nous avons pris beaucoup de plaisir à réaliser ce prototype qui est capable de rendre notre téléphone

portable invisible et qui - nous l’espérons - est voué à un avenir très prometteur.

25

Sitographie

https://dossier.univ-st-etienne.fr/destoucn/www/Enseignements/CMmagn%C3%A9tismeND.pdf

http://forums.futura-sciences.com/physique/204246-certains-materiaux-bloquent-ondes-radio.html

http://lyc-renaudeau-49-bis.ac-

nantes.fr/IMG/pdf/Theme_ennoblissement_A1_interaction_materiaux_et_ondes_electromagnetiques.pdf

http://dangersportables.unblog.fr/category/iii1-comment-bloquer-les-ondes/

http://korben.info/realiser-une-cage-de-faraday-simplement.html

http://umvf.univ-nantes.fr/odontologie/enseignement/chap1/site/html/cours.pdf

http://ondes.ifips.free.fr/ifips/ifips_pdf/ifipsTDtotal2008.pdf

http://www.edu.upmc.fr/physique/joffrin_04001/chap7.pdf

http://sfa.univ-poitiers.fr/ScPhys/telechargement/Propagation_OEM-metal-2007.pdf

http://public.iutenligne.net/chimie/valls/chimie-du-solide/propri_semiconducteurs_1.htm

http://www.electrosmog.info/IMG/pdf/Telephones-Mobiles.pdf