SPECIALITE 13 : la transmission des informations par les ondes électromagnétiques

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1 SPECIALITE 13 : la transmission des informations par les ondes électromagnétiques Objectifs : Découvrir ce qu est une onde électromagnétique et comment elle se propage Comprendre la nécessité de moduler une onde électromagnétique pour transmettre une information Créer une onde radio (ou Hertzienne) et comprendre le rôle de l antenne 1. Qu est-ce qu une onde électromagnétique? Une règle en plastique frottée sur du nylon acquiert une charge électrique et devient capable d attirer des petits morceaux de papier ou de dévier un filet d eau : elle crée autour d elle un champ électrique représenté en un point M par un vecteur E. Un aimant est capable d attirer certains métaux comme le fer : il crée autour de lui un champ magnétique représenté en un point M par un vecteur B. Le physicien Maxwell a montré que si le champ électrique existant en un point M était variable, il créait en son voisinage un champ magnétique variable, et réciproquement. Ces champs se créant ainsi l un l autre se propagent dans l espace et constituent une onde électromagnétique. Si les champs varient de façon sinusoïdale, l onde électromagnétique est elle même sinusoïdale et on peut lui attribuer une fréquence f, une période T et une longueur d onde λ. Une onde électromagnétique se propage dans le vide avec une célérité co=3, m.s 1 et dans certains milieux matériels, avec une célérité c< co. On définit l indice n du milieu de propagation comme n= co/c donc n>1 La longueur d onde est la distance parcourue par l onde en une période donc λ = co/f dans le vide (ou dans l air car n(air) 1) Lorsqu une onde électromagnétique change de milieu de propagation, sa... ne varie pas, donc sa... varie. La lumière fait partie des ondes électromagnétiques mais correspond à un domaine de fréquence très restreint, voisin de Hz, soit une longueur d onde dans le vide (ou dans l air) comprise entre 0,4µm (violet) et 0,8µm (rouge). 1

2 L ionosphère est une couche de l atmosphère comprise entre 50 et 500km qui est constituée d ions... Les ondes de fréquence supérieure à 50MHz traversent l ionosphère, tandis que les ondes de basse fréquence sont réfléchies. Les milieux matériels absorbent plus ou moins les ondes électromagnétiques selon leurs fréquences. Ainsi le verre est transparent pour la lumière visible et les infrarouges mais absorbe une grande partie du rayonnement ultraviolet. Les ondes Hertziennes ne traversent pratiquement pas les métaux. 2. Emission et réception d une onde Hertzienne : 2

3 Explique pourquoi la tension entre M et N peut atteindre plusieurs milliers de Volts alors que la f.e.m. de la pile qui alimente la bobine n est égale qu à 6V. Pourquoi une étincelle jaillit-elle entre les deux boules A et B? Le texte nous dit que l éclateur se comporte comme un condensateur... justifie l allure de la courbe obtenue sur le document n 4 ci-dessus. En pratique, tout circuit siège d oscillations électriques produit une onde électromagnétique: c est par exemple le cas pour un dipôle R,L,C branché en série avec un dipôle «résistance négative», qui oscille sur la fréquence f = 1/2π LC. Toutefois un circuit fermé ne rayonne pratiquement pas! Il est nécessaire de relier une antenne au circuit oscillant, c est à dire un conducteur rectiligne dont une extrémité est reliée à un point du circuit et l autre extrémité est libre. La longueur de l antenne doit être d autant plus grande que la longueur d onde de l onde émise est grande. Pourquoi l antenne des téléphones portables n est-elle pas visible en général? Dans une antenne d émission, les électrons excités par le signal à transmettre par voie hertzienne oscillent à la même fréquence f que ce signal. Cette oscillation génère un champ magnétique variable et donc, de proche en proche, une onde électromagnétique de même fréquence f. La réception des ondes hertziennes se fait par une antenne réceptrice : les électrons de l antenne, excités par le champ électrique de l onde, oscillent à la même fréquence que l onde. Ainsi un courant électrique de fréquence f apparaît, qui suit fidèlement les variations temporelles de l onde. Relie une antenne à l entrée d un oscilloscope... qu observes-tu? 3

4 Fais jaillir une étincelle entre les deux boules A et B de l éclateur relié à la bobine de Ruhmkorff... qu observes-tu sur l écran de l oscilloscope lorsque l étincelle jaillit? Branche une antenne émettrice à la sortie d un générateur B.F. Qu observes-tu sur l écran de l oscilloscope? Fais varier la fréquence du G.B.F. Que constates-tu? Introduis l antenne réceptrice reliée à l oscilloscope dans un tube métallique (relié à la masse de l oscilloscope)... justifie ce que tu observes. Conséquence : Les signaux faibles, comme ceux délivrés par un microphone, circulent jusqu à l amplificateur dans des câbles blindés... pourquoi? 3. Transmission d une information à l aide d un faisceau lumineux : L émetteur est une source de lumière LASER... pourquoi? Le support de l information est un faisceau lumineux se propageant dans une fibre optique. Quel est l intérêt de la fibre optique? Le récepteur est une photodiode qui délivre un courant d intensité proportionnelle à l intensité lumineuse reçue. Comment peut-on observer le signal reçu par la photodiode sur un oscilloscope? Comment peut-on transmettre une information à distance à l aide de ce dispositif? 4

5 4. Modulation d une onde hertzienne sinusoïdale : Qu est-ce qui différentie l onde hertzienne émise par «France Inter» et celle émise par «RCFM»? Cette propriété permet de sélectionner l une ou l autre de ces ondes au niveau du récepteur. Les ondes Hertziennes émises par ces radios transportent une information... laquelle? Compare les ordres de grandeur des fréquences correspondant à l information et à l onde hertzienne transportant cette information, appelée porteuse. Serait-il envisageable de transmettre à grande distance l information sans utiliser de porteuse? justifie ta réponse. La porteuse (onde hertzienne de fréquence F élevée) est une fonction sinusoïdale du temps de la forme : u(t) = Um.cos(2πF.t +ϕ) où Um,f et ϕ sont des constantes Um est l amplitude F est la fréquence ϕ est la phase à l origine des temps L information à transmettre va moduler l onde porteuse, c est à dire modifier une de ses caractéristiques. modulation d amplitude : l amplitude Um devient une fonction du temps qui varie à la même fréquence que l information à transmettre. Détermine la fréquence F de la porteuse et celle de l information transmise, soit f. modulation de fréquence : la fréquence de l onde émise varie autour d une valeur moyenne F. La variation se fait avec une fréquence f qui est celle de l information à transmettre. Détermine la fréquence moyenne F de la porteuse et celle de l information transmise, soit f. 5