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Le Spectre Electromagnétique
Le Spectre ElectromagnétiquePrésentation
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1David Malinvaud
Sr Project Manager
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24/03/2014
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
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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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