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Transmission des informations par ondes électromagnétiques

I. TRANSMISSION DES INFORMATIONS: Les ondes hertziennes : Au début du 19ème siècle les bases de l'électricité et du magnétisme commençaient à être établies, en particulier pour l'électrostatique et la magnétostatique (charges électriques ou aimant immobiles). Coulomb avait énoncé sa loi relative à la force électrostatique en 1785 et on disposait de piles (Volta 1800) permettant de faire circuler des courants importants. Les phénomènes électriques et magnétiques étaient apparemment sans lien, et on pensait que les actions électriques ou magnétiques se propageaient à vitesse infinie (instantanément). Mais en 1819 Hans Oersted découvre expérimentalement l'effet magnétique créé par un courant, tandis qu'en 1837 Michael Faraday montre qu'au contraire une variation de champ magnétique peut créer un courant dans un circuit. Du côté de la théorie, c'est en 1822 qu'André-Marie Ampère publie la 1ère théorie mathématique de l'électrodynamique. Ses travaux sont poursuivis par James Clerk Maxwell qui commence ses publications en 1855. Maxwell unifie les forces électrique et magnétique et affirme la possibilité de l'existence d'une onde électromagnétique, constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique se propageant même dans le vide, à vitesse finie. De plus sa théorie montre que la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide, calculée à partir de constantes de l'électrostatique et de la magnétostatique déjà connues est étrangement égale à celle de la vitesse de la lumière (mesurée en 1849 par Fizeau). La nature ondulatoire de la lumière était pratiquement admise à l'époque, suite aux résultats expérimentaux de Young et de Fresnel au début du siècle. Il postule alors (1864) que la lumière est elle même une onde électromagnétique. Ses travaux sur l'électromagnétisme prennent fin en 1873. C'est Heinrich Hertz qui entre 1887 et 1888 apporte les preuves expérimentales étayant la théorie de Maxwell. En travaillant à très haute fréquence (quelques centaines de mégahertz) il obtient d'abord des ondes électriques dans des fils métalliques, puis prouve que la vitesse de propagation dans l'air des effets électromagnétiques n'est pas infinie, et enfin l'existence d'ondes électromagnétiques dans l'air. Hertz a construit les premières antennes émettrice et réceptrice d'ondes électromagnétiques. L'évolution technique est ensuite rapide puisque dès 1899 Marconi réalise la première liaison sans fil à travers la Manche. Questions : En utilisant le texte ou le cours du tronc commun sur les ondes 1. Rappeler la définition d'une onde 2. Indiquer le type de phénomènes expérimentaux utilisés par Young pour montrer la nature ondulatoire de la lumière 3. Le texte met en avant quatre points nouveaux avancés par Maxwell dans sa théorie électromagnétique. Lesquels? 4. Quelle propriété différencie les ondes électromagnétiques des ondes mécaniques ? 5. Quel argument incite à penser que les ondes lumineuses sont de nature électromagnétique ? 6. Rappeler l'ordre de grandeur des fréquences et des longueurs d'onde des ondes lumineuses. 7. Calculer l'ordre de grandeur des longueurs d'ondes des ondes électromagnétiques utilisées par Hertz.

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Etude d’un document vidéo : « C’est pas sorcier, ici l’onde » 1. Les ondes sonores se propagent dans l’air à environ 340 m/s. Les OEM se propagent toutes dans l’air à environ 3.108m/s. Qu’est-ce qui différencie les OEM radio, visibles, rayons X ? 2. Qui a découvert les ondes le siècle dernier. A quelle grandeur physique a-t-il donné son nom ? 3. Quelles sont les fréquences des signaux de la voix ? 4. Quelle est la nature su signal reçu par une antenne émettrice ? Et la nature du signal émis ? 5. Qu’a inventé Guglielmo Marconi vers 1895 ? 6. Quel est le principe du micro ? 7. Pourquoi ne peut-on pas utiliser un courant de même fréquence que la voix pour la transmission radio ? 8. Comment fait-on alors pour transporter la voix? 9. Qu’est-ce que la démodulation ? 10. Quel est le rôle d’un tuner ? 11. Pourquoi les ondes courtes ont-elles une portée importante ? Que se passe-t-il si la longueur d’onde est trop courte ? 12. Que veut dire FM ? Quel est l’intérêt de la FM par rapport aux grandes ondes? Quel en est l’inconvénient ?

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II . LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

Les ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui véhiculent des informations (sons, musiques, images…) sur de grandes distances sans aucun support matériel.

C'est le physicien allemand Hertz qui produit en 1887 les premières ondes électromagnétiques grâce à son oscillateur. Il montre qu'elles possèdent toutes les propriétés des ondes lumineuses.

Les ondes hertziennes sont caractérisées par une fréquence f (en Hz), une longueur d'onde λ (en m) une vitesse de propagation dans le vide ou l'air: c.

1. Quelles sont les fréquences des ondes hertziennes ? Comparer avec les ondes visibles. 2. Quelles sont les longueurs d'onde des ondes hertziennes ? 3. Quelle relation y-a-t-il entre f, λ et c ? 4. Quelle est la valeur de la célérité c des ondes hertziennes ? 1) Les gammes d’onde

2) Émission et réception Expérience :

Connecter un fil de longueur de l'ordre du mètre à la sortie d'un G.B.F. ; sélectionner une tension sinusoïdale de fréquence 150 kHz. Connecter un fil d'une longueur égale à 1 m environ à l'entrée d'un oscilloscope placé à quelques dizaines de centimètres du G.B.F. ; régler la sensibilité horizontale à 2µs.div-1. Ajuster la sensibilité de déviation verticale. Noter les caractéristiques de l'oscillogramme observé. Faire varier la valeur de la tension efficace du G.B.F. Diminuer la fréquence du G.B.F.

1. Quelle est la forme de l'oscillogramme observé à 150 kHz ? Est-ce vrai quelle que soit la fréquence ? 2. Quel est l'effet produit par une augmentation du niveau de sortie du G.B.F. ? 3. Quel est le rôle de chaque fil ? Une onde électromagnétique est produite par un courant variable dans le temps. Cette production est plus efficace si on utilise une antenne d’émission. Une antenne est un conducteur rectiligne relié à un point du circuit électrique. La fréquence de l’onde électromagnétique produite par une antenne d’émission celle du signal électrique qu’elle reçoit. La longueur d’une antenne n’est pas quelconque : elle est égale à !/2 ou !/4 où ! est la longueur d’onde dans le vide de la porteuse émise.

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Exemples:

• La fréquence de la porteuse d’un téléphone cellulaire GSM est 5 GHz. On a ! = 3.108/5.109 = 0,06 m, soit une antenne de 3 cm (ou 1,5 cm).

• La fréquence de la porteuse pour la télévision est de 200 MHz. La longueur d’une antenne de télévision est de 0,75 m (ou 37,5 cm).

L’antenne de réception capte l’onde électromagnétique et produit un signal électrique. La fréquence du signal électrique produit par une antenne de réception est égale à celle de l’onde électromagnétique qu’elle reçoit. 3) Transmettre un signal par O.E.M. sinusoïdales : Une station de radio recueille une information sonore (voix humaine, musique…) captée par un microphone qui transforme ces sons de fréquence 20Hz à 20kHz en un signal électrique de même basse fréquence (BF). Ce signal BF ne peut pas être émis directement car deux problèmes se posent notamment. D’une part, si les stations émettaient directement leur information, les signaux de même fréquence se chevaucheraient et les informations correspondantes seraient incompréhensibles pour les auditeurs. D’autre part, les signaux BF sont fortement amortis avec la distance. En revanche, la transmission des ondes électromagnétiques s’effectue sur des longues distances pour les hautes fréquences de l’ordre du mégahertz. Pour transporter l’information basse fréquence, on utilise donc une onde électromagnétique haute fréquence. Cette onde, appelée porteuse, est modifiée (modulée) afin que son amplitude par exemple, varie à l’image du signal (BF) à transmettre. Question : Pourquoi l’utilisation d’une onde porteuse permet d’apporter une solution aux problèmes de transmission des signaux BF ?

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Transmission des informations par ondes électromagnétiques

I. Transmission d’informations : Dans le cas de la communication par la parole, le support est une onde mécanique sonore. Elle nécessite un milieu matériel de propagation et permet de transmettre un signal avec transport d’énergie mais sans transport de matière. Utiliser une onde comme support permet de communiquer à longue distance sans transport de matière, mais avec transport d’énergie.

II. Ondes électromagnétiques : Une antenne émettrice émet une onde électromagnétique de même fréquence que le signal qui lui est transmis. Cette onde engendre dans l’antenne réceptrice un signal de même fréquence. On différencie les ondes électromagnétiques sinusoïdales par leur fréquence f ou leur longueur d’onde λ dans le

vide : λ =

cf

avec c = 3,00 ×108m.s−1

La lumière fait partie des ondes électromagnétiques dans un domaine restreint de fréquences.

III. Transmettre un signal par O.E.M. sinusoïdales :

L’information que l’on souhaite transmettre (parole, musique,…) est constituée de signaux qui ont des fréquences de l’ordre du kilohertz et donc des longueurs d’onde voisines de 100 km. Ces basses fréquences ne sont pas adaptées à la transmission par ondes hertziennes pour plusieurs raisons :

• les antennes, qui ont des dimensions du même ordre de grandeur que la longueur d’onde du signal qu’elles émettent, serait immenses ;

• une propagation dans l’air sur de grandes distances nécessite des fréquences plus élevées (de l’ordre du mégahertz) ;

• les récepteurs ne pourraient pas séparer les différentes émissions reçues et il y aurait brouillage de l’information.

Converti en tension électrique, le signal basse fréquence qui contient l’information à transmettre est utilisé pour modifier (moduler) une des grandeurs caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase) d’une tension haute fréquence). On utilise ainsi une onde de haute fréquence, appelée porteuse, pour véhiculer le signal informatif. L’expression mathématique d’une tension sinusoïdale u(t), de fréquence f, d’amplitude Um et de phase à l’origine des dates ϕ est : u(t) =Um cos(2π ft +ϕ)

Pour pallier aux problèmes liés aux signaux BF, on utilise une onde électromagnétique sinusoïdale haute fréquence, appelée la porteuse, dont on modifie l’une des caractéristiques (f, Um,, ϕ), habituellement constante, pour qu’elle varie l’image du signal BF. La plupart des récepteurs radio permettent d’écouter des stations utilisant la modulation d’amplitude (bande des grandes ondes par exemple) et la modulation de fréquence (bande FM).

Modulation d’amplitude modulation de fréquence