Le Spectre Electromagnétique  

Le  Spectre  Electromagnétique  Présentation  

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1 David  Malinvaud  

 Sr  Project  Manager  

 david@dmmetis.com  

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u Partie 1 : présentation du spectre électromagnétique u Electromagnétisme

Ø  Définition Ø  Onde électromagnétiques Ø  Définition Ø  Nature et propagation

Ø  Rayonnement u Définition du spectre électromagnétique

Ø  Présentation du spectre EM Ø  Déclinaison des ondes électromagnétiques

Ø  Cas des radiofréquences Ø  Organisation du spectre (vue reduite)

u  Pour aller un petit peu plus loin… u  Questions

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u Electromagnétisme u Définition  

Le  rayonnement  électromagné/que  symbolise  l'ensemble  des  radia/ons  émises  par  une  source  (soleil,  radar,  téléphone  portable,…)  

u Ondes électromagnétiques

u Définition        Une  onde  électromagné/que  est  composée  d’un  champ  électrique  et  d’un  champ          magné/que  oscillant  tous  deux  à  la  même  fréquence.  C’est  aussi  l'ensemble  des            fréquences  à  laquelle  peut  osciller  une  onde  électromagné/que.          Ces  deux  champs  sont  perpendiculaires  l’un  par  rapport  à  l’autre  et  se  propagent            selon  une  direc/on  orthogonale  dans  un  milieu;  air,  espace,…(Maxell-­‐Lorentz).          Les  ondes  électromagné/ques  cons/tuent  l’ensemble  du  spectre  électromagné/que.          Elles  sont  générées  par  le  mouvement  d’une  charge  électrique,  tel  un  courant          électrique  (Maxell-­‐Ampère).  Elles  véhiculent  de  l’énergie  mais  pas  de  ma/ère.    

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Champ magnétique (B)

Direction Distance

Longueur d’onde

Champ électrique (E)

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u Nature et propagation            La  nature  exacte  d’une  onde  électromagné/que  est  en  réalité  la  propaga/on,  à  la                vitesse  de  la  lumière,  d'une  déforma/on  harmonique  des  propriétés  électriques  et              magné/ques  de  l'espace  (cf.  Fig.1),  consécu/ve  à  une  excita/on.  Un  parallèle  peut              être  fait  avec  l’onde  que  génère  une  gouOe  qui  tombe  à  la  surface  de  l’eau  (cf.  Fig.2).              A  noter  que  le  milieu  dans  lequel  l’onde  se  propage  reprend  sa  forme  ini/ale  après                distorsion.  Comme  il  est  à  noter  que  les  ondes  audio  ne  se  propagent  pas  dans  le  vide.  

           Une  onde  électromagné/que  est  caractérisée  par  trois  grandeurs  (cf.  Fig.3)  :    

       La  longueur  d’onde  (  λ  )  :  c’est  la  périodicité  de  l’oscilla/on  de  l’onde  dans  le  temps              ou  l’espace.  Elle  est  mesuré  entre  deux  pics  successifs,  représentant  la  longueur  du              du  cycle  de  l’onde  dans  l’espace.  L’unité  est  le  mètre  (m),  correspondant  à  la  distance              parcourue  par  la  lumière  en  1/3.108  s  (1983,  Conférence  Générale  des  Poids  et                Mesures).                La  période  (  T  )  :  c’est  le  temps  que  met  l’onde  pour  réaliser  un  cycle.  L’unité  est  la              seconde  (s).                La  fréquence  (  v  )  :  c’est  l’inverse  de  la  période,  elle  symbolise  le  nombre  de  cycles              par  unité  de  temps.  C'est  le  nombre  d'oscilla/ons  du  champ  électromagné/que  par              seconde;  L’unité  est  le  Hertz  (Hz),  sachant  qu’un  Hertz  équivaut  à  une  oscilla/on.    

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Fig.1

Fig.2

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  Les  équa/ons  incontournables  :              On  admet  que  l’onde  se  propage  à  la  vitesse  la  lumière,  soit  c  =  3.108m/s.                V  =  1  /  T              λ  =  c  /  v      On  constate  ainsi  que  plus  la  longueur  d’onde  est  faible,  plus  la  fréquence  est  élevée.    

u Rayonnement              Le  rayonnement  électromagné/que  symbolise  l'ensemble  des  radia/ons  émises              par  une  source  (soleil,  radar,  téléphone  portable,…).  

 

             

Période

Fig.3

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 u Energie et photons

                           Les  photons  caractérisent  les  atomes  d’une  onde  électromagné/que.  Ils  transportent                                des  quantas,  ou  paquets,  d’énergie  (E).    Chaque  photon  transporte  ainsi  une  somme                                d'énergie  propor/onnelle  à  la  fréquence  de  l'onde  électromagné/que  considérée.                                L’unité  est  l’électron-­‐volt  (eV).    

       Les  équa/ons  incontournables  :    

       On  admet  la  constante  de  Planck,  soit  h  =  6,625.10-­‐34  J.s.      

       E  est  la  charge  d’énergie  véhiculée  par  l’onde  électromagné/que,  exprimée  en  eV.      

       E  =  h  x  v          E  =  h  x  c  /  λ      

                               Les  équa/ons  montrent  que  l’énergie  véhiculée  est  d'autant  plus  grande  que  la                                  fréquence  est  élevée,  et  que  la  longueur  d’onde  est  faible.  Elles  démontrent  par                                ailleurs  que  l’énergie  transportée  par  un  photon  est  inversement  propor/onnelle                                à  sa  longueur  d’onde.

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u Définition du spectre électromagnétique u Présentation du spectre EM

Le  spectre  électromagné/que  est  cons/tué  de  l’ensemble  des  ondes  électromagné/ques,  principalement  différenciées  par  leur  longueur  d’onde  (m)  et  l’énergie  qu’elles  transportent  (eV).    

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Désigna/on      Bande   Longueur  d’onde   Origine  

Tremendously  Low  Frequencies  

0  Hz  à  3  Hz   100.000  km  à  l’infini   Ondes  et  bruits  électromagné/ques  

Extremely  Low  Frequencies   3  Hz  à  30  Hz   10.000  km  à    100.000  km  

Ondes  du  cerveau  humain    

Super  Low  Frequencies   30  Hz  à  300  hz  

1.000  km  à  10.000  km  

Ondes  électromagné/ques  naturelles,  ondes  physiologiques  humaines,  radiocommunica/ons  submari/mes  militaires  

Ultra  Low  Frequencies   300  Hz  à  3  kHz  

100  km  à  1.000  km   Ondes  orages  solaires,  réseaux  électriques  

Very  Low  Frequencies   3  kHz  à  30  kHz  

10  km  à  100  km   Radionaviga/on,  radiocommunica/ons  submari/mes  militaires,  émeOeurs  de  signaux  horaires  

Low  Frequencies   30  kHz  à  300  kHz  

1  k  à  10  km   Radiocommunica/ons  mari/mes  et  submari/mes  

Medium  Frequencies   300  kHz  à  3  MHz  

100  m  à  1  km   Systèmes  de  naviga/on,  radioamateurs,  radiocommunica/ons  mari/mes  et  aéronau/ques  

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u Déclinaison des ondes électromagnétiques Les  ondes  électromagné/ques  peuvent  être  classifiées  en  plusieurs  gammes,  différenciées  

par  leur  longueur  d’onde  et  l’énergie  qu’elles  véhiculent.              Ces  gammes  correspondent  à  deux  familles  de  rayonnements  :      

   .  Les  rayonnements  ionisants  (RI)  :  ils  sont  nocifs  pour  l’homme  s’ils  ne  sont  pas  maîtrisés,                    comme  dans  l’imagerie  médicale  par  exemple,  et  mortels  à  haute  dose  ainsi  que  dans                    le  cas  d’une  exposi/on  prolongée.  Ils  génèrent  une  ionisa/on  dans  la  ma/ère  vivante.        

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Designa/on   Bande   Longueur  d’onde   Emploi  

High  Frequencies   3  MHz  à  30  MHz  

10  m  à  100  m   Radiocommunica/ons  militaires  et  d’ambassade,  transmissions  gouvernementales  

Ultra  High  Frequencies   300  MHz  à  3  GHz  

10  cm  à  1  m   Transmissions  militaires  et  aéronau/ques,  liaisons  satellites,,  GSM,  PCS/DCS,  UMTS,  Wifi,  Bluetooth,  liaisons  gouvernementales  

Super  High  Frequencies   3  GHz  à  30  GHz  

1  cm  à  10  cm   Systèmes  radar,  radiodiffusion  et  télédiffusion  par  satellite,  Wifi,  fours  à  micro-­‐ondes  

Extremely  High  Frequencies   30  GHz  à  300  GHz  

1  mm  à  1  cm   Radioastronomie,  expérimenta/ons  et  recherches  scien/fiques,  systèmes  radar  

Tremendously  High  Frenquencies  

300  GHz  à  300  106  THz  

1  pm  à  1  μm   Spectre  lumière  visible  par  l’œil  humain,  Ultra-­‐violets,  rayons  X,  rayons  Gamma  

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                               .  Les  rayonnements  non-­‐ionisants  (RNI)  :  ils  ne  provoquent  aucune  ionisa/on  dans  la                                            ma/ère  vivante  même  à  forte  dose.    

                               Nous  dis/nguerons  ces  gammes  d’ondes  électromagné/ques  comme  suit  :  

u Les rayons cosmiques (RI)          Appelés  aussi  astropar/cules,    ce  sont  des  radia/ons  parcourant  l’univers,  capables  de              traverser  n’importe  quel  corps  et  d’interférer  avec  l’ADN  humain  (muta/on,            destruc/on).  Leur  fréquence  est  supérieure  à  1030  Hz,  λ  est  supérieure  à  10-­‐7  μm  ;            E  =    1020eV.    

u Les rayons gamma (RI)          Ces  rayons  résultent  des  radia/ons  émises  par  des  éléments  radioac/fs.  Ils  sont            hautement  chargé  d’énergie  et  traversent  aisément  la  ma/ère.  Ils  sont  dangereux            pour  les  cellules  vivantes.  Intervalle  λ    de  10-­‐7  μm  à  10-­‐5  μm  ;  E  =  107eVmax.    

u Les rayons X (RI)          Ces  rayons  sont  hautement  énergé/ques  qui  peuvent  traverser  la  ma/ère,  en  étant              cependant  moins  nocifs  que  les  rayons  gamma.  On  les  retrouve  dans  les  domaines  de              la  médecine  (radiographies),  et  de  la  sécurité  (contrôle  des  bagages  dans  le              transport  aérien).  Intervalle  λ  de  10-­‐5  μm  à    10-­‐2  μm  ;  E  =  2,4.105eVmax.  

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u Les Ultra-violets (RI)        Connus  pour  être  nocifs  pour  la  peau,  ces  rayons  sont  énergé/ques  mais  sont  stoppés              en  par/e  par  la  couche  d’ozone  qui  nous  préserve  de  leur  dangerosité.  On  leur  doit  la            couleur  brunâtre  de  notre  peau  après  une  exposi/on  au  soleil.  Intervalle  λ  de            10-­‐2  μm  à  0,38  μm  ;  E  =  3.103  eVmax.  

u Le domaine visible (RNI)        C’est  une  bande  très  étroite  du  spectre  électromagné/que  visible  de  l’œil  humain.          On  y  dis/ngue  les  couleurs  de  l’arc  en  ciel.  Intervalle  λ  de  0,38  μm  (violet)  à  0,78  μm            (rouge)  ;  E  =  3,2  eVmax.

u L’infrarouge (RNI)        C’est  le  rayonnement  qu’émeOent  tous  les  corps  dont  la  température  est  supérieure  à              -­‐273°K  (dit  zéro  absolu).  On  y  dis/ngue  les  couleurs  de  l’arc  en  ciel.  Intervalle  λ  de              0,78  μm  à  106  nm  ;  E  =  1,6eVmax.    

u Les ondes submillimétriques (RNI)                                          Ces  ondes  sont  aussi  référencées  sous  le  vocable  Térahertz.  Elles  sont  u/lisées  dans  le                                            domaine  de  l’astronomie  pour  étudier  les  sources  célestes  du  rayonnement  associé.                                            L’univers  étant  cons/tué  avant  tout  de  ma/ère  froide,  celui-­‐ci  n’émet  pas  de  lumière                                            visible,  mais  des  ondes  submillimétriques.  Analyser  ces  ondes  permet  ainsi  d’étudier                                              tous  les  corps  interstellaires,  et  de  cartographier  l’univers.  Intervalle  λ  de  0,1  mm                                              à  1  mm  ;  E  =  0.00414  eVmax.  

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u Les micro-ondes (RNI)        Appelées  aussi  ondes  radar  ou  hyperfréquences,  c’est  précisément  dans  ceOe          famille  que  l’on  retrouve  les  communica/ons  de  types  Wifi,  Bluetooth,            DETC,  ainsi  que  la  télédétec/on  et  la  télémétrie  radar.  Ces  ondes  appar/ennent          à  la  gamme  des  radio-­‐fréquences.  Intervalle  λ  de  1mm  à  1cm  ;  E  =    10-­‐  3eVmax.    

u Les ondes radio-électriques (RNI)                                          Ces  ondes  appar/ennent  à  la  gamme  des  radio-­‐fréquences,  et  représentent  la  plus                                            large  bande  du  spectre  électromagné/que  (10kHz  à  300  GHz).  Elles  peuvent  être                                              émises  et  reçues  plutôt  facilement,  émeOeur  et  récepteur  ne  commandent  pas    

                                         un  niveau  de  technologie  élevé.    Intervalle  λ  >  1cm  ;  E  =    10-­‐5eVmax.    

u Cas des radiofréquences           Ces  ondes  représentent  la  plus  large  bande  du  spectre  électromagné/que,  et  vont  de  10kHz              à  300GHz.  Elles  se  confondent  avec  la  bande  des  ondes  radioélectriques.  Les  fréquences                associées  aux  ondes  radiofréquences  sont  réglementées.  Globalement  ces  ondes  sont                suscep/bles  d’être  déviées  ou  aOénuées,  selon  le  milieu  dans  lequel  elles  se  propagent,  ou              selon  la  ma/ère  qu’elles  traversent.                              

         

     

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u Organisation du spectre (vue réduite)

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INFRARED  AUDIO    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

NATO BANDS

OLD BANDS

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

1µm 1mm

Γ-R

AYS

RADIOELECTRICAL WAVES 10KHz 300GHz

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

HF  

MF  

LF  

VLF  

30km

1m 1km 10km 30km

RESPONSE OF THE EYE

Very  Low  Frequencies  (VLF)  

Low  Frequencies    (LF)  

Medium  Frequencies  (MF)  

High  Frequencies    (HF)  

Very  High  Frequencies  (VHF)  

Ultra  High  Frequencies  (UHF)  

Super  High  Frenquencies  (SHF)  

Extremely  High  Frequencies  (EHF)  

300GHz

108THz

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 u Pour aller un petit peu plus loin…

 Pour  les  férus,  et  pour  en  savoir  plus  :  

u Les équations de Maxwell                                          Les  équa/ons  de  Maxwell,  ou  de  Maxwell-­‐Lorentz  du  fait  de  faire  intervenir  la  force                                            électromagné/que  (Fem)  telle  qu’elle  est  définie  par  Lorentz,  gouvernent  la  propaga/on                                            du  champ  électromagné/que  sous  forme  d’ondes  se  déplaçant  à  la  vitesse  de  la  lumière                                              c  =  3.108  m/s  dans  le  vide  ;  la  vitesse  de  propaga/on  dépendant  du  milieu  parcouru                                              (phénomène  de  réfrac/on).                                                Elles  sont  au  nombre  de  quatre  :    

§ Equa/on  de  Maxwell-­‐Gauss  ;  traite  des  propriétés  du  champ  électrique  généré  par  des  charges  électriques.  

§ Equa/on  de  Maxwell-­‐Faraday  ;  traite  des  propriétés  d’un  champ  magné/que  induit  par  un  champ  électrique.  

§ Maxwell-­‐Ampère  ;  traite  de  la  créa/on  d'un  champ  magné/que  soit  par  circula/on  d'un  champ  électrique,  soit  par  varia/on  d'un  champ  électrique  dans  le  même  temps.  

§ Maxwell-­‐Flux  magné/que  ;    évoque  le  fait  qu'il  n'y  a  pas  de  sources  magné/ques  comparables  aux  charges  électriques  dans  le  cas  du  champ  électrique.  

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 u Questions?…

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