1 TP : Ondes cenimériques Sciences Physiques MP TP : Ondes cenimériques. Les ondes élecromagnéiques qui nous environnen, occupen un specre de fréquence ou de longueur d onde rès large. Le domaine le plus couran es celui des ondes lumineuses pour lesquelles les longueurs d ondes - oujours évaluées dans le vide - son siuées auour de λ =,5µm. Les ondes dies cenimériques son celles don la longueur d onde es de l ordre du cenimère. La relaion enre la longueur d onde λ e la fréquence f es : λ = c f où c = 3 1 8 m s 1 es la viesse de la lumière dans le vide. Siuons les ondes cenimériques par rappor à des ondes élecromagnéiques voisines. On rouve les ondes radio dans le domaine des grandes ondes - ondes modulées en ampliude - de fréquence f = 2kHz e de longueur d onde λ = 1,5km. Pour la radio FM en modulaion de fréquence f = 1MHz, λ = 3m. Pour la éléphonie mobile, on se siue à des fréquences de 1GHz e donc à une longueur d onde λ = 3cm. On comprend ainsi que la fréquence des ondes cenimériques es encore plus élevée. L émeeur que nous allons uiliser possède une fréquence f = 9,5GHz, la longueur d onde es λ = 3,2cm. C es cee longueur d onde qui donne son nom aux ondes que nous allons éudier. 1 Objecifs Vous connaissez de nombreux phénomènes relaifs aux ondes comme la propagaion, la réflexion, la réfracion, l absorpion sans oublier la quesion de la polarisaion ou encore la diffracion, les inerférences. Vous effecuerez un choix parmi celles-ci car il es difficile d éudier l ensemble de ces phénomènes pendan le TP. Ce choix vous permera soi de caracériser l onde, soi de vérifier une loi héorique correspondan au phénomène éudié. 2 Maériel 2.1 Maériel de base Le maériel don vous disposez es une alimenaion de l anenne émerice placée au débu d un cône, d un rail suppor, d un cône avec à son exrémié une anenne réceprice. Voir la phoographie de la figure 1, le rail suppor es composé de deux paries qui pivoen auour d un axe verical placé au cenre de la plaine circulaire permean d effecuer des mesures d angle. Émeeur Figure 1 Maériel de base L anenne réceprice es sensible à l ampliude du champ élecrique, la ension image fournie correspondan à la valeur de l ampliude du champ élecrique. Nos sysèmes élecroniques permean la visualisaion de l onde ne foncionnen pas à la fréquence de 9,5GHz, ils ne peuven que suivre des évoluions plus lenes comme celle que l on peu provoquer en modulan l ampliude de l onde cenimérique émise. Le boîier d alimenaion de l anenne comprend une modulaion d ampliude de fréquence f = 3 khz que l on peu rès facilemen observer grâce à un oscilloscope. La ension obenue sur l anenne peu êre visualisée direcemen sur l oscilloscope ou
Sciences Physiques MP TP : Ondes cenimériques 2 bien amplifiée par un circui élecronique implané dans le boîier d alimenaion. Ce boîier possède d ailleurs un hau-parleur inégré qui perme de fournir un son à l image de la modulaion d ampliude déecée. On éviera de le faire foncionner an le son émis à 3kHz es désagréable aux oreilles... La modulaion d ampliude de l onde es de forme un peu pariculière.on peu la voir surl image de gauche de la figure 2. Lorsque le signal es raié par le module d amplificaion, on rerouve un signal ceres amplifié mais aussi modifié dans sa forme comme on peu le voir sur l image de droie de la figure 2. Oscilloscope Amplificaion + oscilloscope Figure 2 Forme de la modulaion d ampliude 2.2 Maériel complémenaire Pour effecuer ce TP, vous disposerez du maériel permean d éudier les nombreux phénomènes physiques évoqués dans les objecifs du TP. À la figure 3, vous pouvez voir le disposiif de polarisaion consiué par une grille méallique. Sur la phoographie de droie, on voi que le champ élecrique parallèle E au barreau de la grille es absorbé alors que le champ élecrique ransversal E ne l es pas. Ceci n es pas inuiif car le champ élecrique ne se compore pas comme un crayon fin que l on chercherai à faire passer à ravers la grille. En fai, le champ élecrique oscillan de l onde élecromagnéique me en mouvemen les élecrons dans le sens des barreaux en y provoquan des courans. L énergie associée au champ E es donc ransmise au conduceur, comme les mouvemens ne son pas favorisés dans le sens ransverse, le champ E n es pas absorbé. N oublions pas que le principe es exacemen le même pour les polariseurs recilignes que l on uilise en opique. Le rôle des barreaux es alors joué par de rès longues chaînes moléculaires sur lesquelles on a greffé des aomes doés d imporans nuages élecroniques comme l iode, par exemple. E ransmis Ei E absorbé Figure 3 Éude de la polarisaion Vous pouvez voir sur les phoographies de la figure 4, une plaque méallique percée de deux fenes, don l une peu êre oburée e une plaque en bois.
3 TP : Ondes cenimériques Sciences Physiques MP Figure 4 Plaques... Enfin, sur les phoographies de la figure 5, on peu voir un prisme de paraffine e une plaque méallique pleine en présence d une peie anenne. Cee peie anenne peu remplacer uilemen l anenne équipée d un cône que vous avez pu voir jusqu à présen sur les phoographies. Son foncionnemen es le même, simplemen l anenne es moins encombrane e perurbe moins le champ élecromagnéique. L inconvénien es qu elle récupère un signal plus faible car le cône ne peu plus servir à concenrer les ondes élecromagnéiques comme il le faisai sur l anenne déecrice uilisée sur les aures phoographies. Pour les expériences où l anenne fine n es pas indispensable, on privilégiera celle doée du cône de récepion. Figure 5 Prisme de paraffine, plaque méallique e anenne sans corne 3 Aspecs héoriques 3.1 Onde plane progressive sinusoïdale L onde élecromagnéique, ransversale, propage deux veceurs E e B selon une direcion de propagaion définie par son veceur d onde k. Le rièdre ( k, E, B) es direc. Pour une Onde Plane Progressive Monochromaique (ou Sinusoïdale) - noée OPPM ou OPPS - on a, lorsque la direcion de propagaion es Oz dans le sens croissan de z : E = E e x cos(ω kz) où ω = kc avec (dans le vide ou bien l air) c = 3 1 8 m s 1. Dans le cas présené ci-dessus, l onde es polarisée recilignemen sur l axe Ox, voir le schéma de la figure 6.
Sciences Physiques MP TP : Ondes cenimériques 4 y x B( ) > E() E( ) k z B() Figure 6 Srucure de l onde élecromagnéique polarisée recilignemen selon Ox 3.2 Modulaion La modulaion d un signal consise à faire évoluer une des caracérisiques d un signal assez lenemen par rappor à son évoluion principale. Il exise deux grands ypes de modulaion : la modulaion d ampliude e la modulaion de fréquence. Sur le graphique de la figure 7, on peu voir un signal sinusoïdal modulé en ampliude. La forme de ce signal es : u() = Am() cos2πf = A(1+εcos2πf m ) cos2πf u() Figure 7 Modulaion d ampliude 1. Décrire le specre de ce signal modulé en ampliude. La modulaion de fréquence du même signal sinusoïdal es représenée sur le graphique de la figure 8. Il correspond à la forme mahémaique suivane : u() = A cos2πf (m()) = A cos2πf (1+εcos2πf m ) u() Figure 8 Modulaion de fréquence 2. Commen définiriez-vous la fréquence d un signal modulé en fréquence?
5 TP : Ondes cenimériques Sciences Physiques MP Figure 9 Specres des signaux observés sur l oscilloscope À la figure 9, on a rassemblé le specre du signal issu direcemen de l anenne déecrice e celui du signal ayan ransié par le module d amplificaion. Ces deux signaux son ceux des phoographies de la figure 2. 3. Aribuer à chaque signal de la figure 2, le specre qui lui revien. Expliquer vore raisonnemen. 3.3 Déeceur de crêes Un déeceur de crêes réalise l opéraion que son nom sous-enend. Il perme de récupérer l enveloppe d un signal qui évolue plus lenemen que le signal lui-même. Il peu êre obenu à l aide de différens circuis élecroniques. Celui de la figure 1 correspond à un monage simple. La diode es un composan non-linéaire don le foncionnemen peu êre, de façon un peu schémaique, décri de la façon suivane : c es un inerrupeur. Il es fermé lorsque le couran qui la raverse es posiif (dans le sens du riangle du schéma normalisé), On a i D > e u D =. Sinon, la diode correspond à un inerrupeur ouver : i D = e u D <. u e i D u D R C u s Figure 1 Déeceur de crêe L acion de ce circui sur l onde élecromagnéique es décomposée sur les graphiques de la figure 11. Pour simplifier, on a choisi la siuaion de la modulaion d ampliude présenée auparavan. 4. Jusifier les différens graphiques de la figure 11 e expliquer qu ils ne peuven êre obenus que si les grandeurs τ = RC, f, f m vérifien une ceraine relaion d ordre. 4 Expériences 4.1 Consignes Lors de vos aciviés expérimenales en TP, vous devrez sysémaiquemen : Élaborer un proocole e m appeler pour que je le valide. Mere en œuvre ce proocole e m appeler pour que j évalue vos aciviés. Communiquer les résulas dans le compe rendu sous forme de descripions, de ableaux de mesures, de graphiques...
Sciences Physiques MP TP : Ondes cenimériques 6 u 1 () u 2 () u 3 () Figure 11 Processus du déeceur de crêes Valider les résulas en comparan les développemens héoriques e les résulas expérimenaux en ayan le souci permanen de présener de façon rigoureuse les résulas avec leur inceriude. Remere en fin de séance vore compe-rendu. Vous serez évalué sur l ensemble de ces exigences. 4.2 Iniiaive personnelle 5. Comme cela vous a éé indiqué au débu du TP, choisissez un cerain nombre de phénomènes physiques permean soi de caracériser l onde élecromagnéique éudiée, soi de vérifier une loi héorique. 6. Consigner vos résulas dans vore compe rendu.