Ondes électromagnétiques

I. Rappels de première

• La présente fiche s'inscrit dans la continuité des notions vues en classe de première :

  $\quad\circ\quad$ Onde électromagnétique ;

  $\quad\circ\quad$ Propriétés associées à celle-ci : propagation, transport d'énergie, vitesse (ou célérité) ;

  $\quad\circ\quad$ Périodicité spatiale (= longueur d'onde) et temporelle (période).

• Il est donc essentiel de relire la fiche de cours suivante pour réviser ces notions :

  Les ondes électromagnétiques

II. Retour sur le spectre des ondes électromagnétiques

• Comme cela a été vu en classe de 1^re, le spectre des ondes électromagnétiques est divisé en plusieurs domaines selon la fréquence $f$ ou la longueur d'onde $\lambda$ :

  

  _{Spectre électromagnétique (d'après UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3,0)}

  $\circ\quad$ Ondes radio : $3 \, \text{Hz} \lt f \lt 300 \, \text{GHz}$, $\lambda \gt 1 \, \text{mm}$ $\rightarrow$ elles sont utilisées pour la radio, la télévision, et les communications mobiles ;

  $\circ\quad$ Micro-ondes : $300 \, \text{MHz} \lt f \lt 300 \, \text{GHz}$, $1 \, \text{mm} \gt \lambda \gt 1 \, \text{mm}$ $\rightarrow$ elles sont utilisées pour le Wi-Fi, le radar et les communications par satellite ;

  $\circ\quad$ Infrarouges : $300 \, \text{GHz} \lt f \lt 400 \, \text{THz}$, $1 \, \text{mm} \gt \lambda \gt 750 \, \text{nm}$ $\rightarrow$ ils sont utilisés pour les télécommandes, les communications sans fil (IrDA) et les capteurs ;

  $\circ\quad$ Lumière visible : $400 \, \text{THz} \lt f \lt 790 \, \text{THz}$, $750 \, \text{nm} \gt \lambda \gt 380 \, \text{nm}$ $\rightarrow$ elle est utilisée pour les communications par fibre optique ;

  $\circ\quad$ Ultraviolets : $790 \, \text{THz} \lt f \lt 30 \, \text{PHz}$, $380 \, \text{nm} \gt \lambda \gt 10 \, \text{nm}$ $\rightarrow$ ils sont utilisés en médecine, industrie, et recherche ;

  $\circ\quad$ Rayons X : $30 \, \text{PHz} \lt f \lt 30 \, \text{EHz}$, $10 \, \text{nm} \gt \lambda \gt 10 \, \text{pm}$ $\rightarrow$ ils sont également utilisés en médecine, industrie, et recherche ;

  $\circ\quad$ Rayons gamma : $f \gt 30 \, \text{EHz}$, $\lambda \lt 10 \, \text{pm}$$\rightarrow$ ils sont également utilisés en médecine, industrie, et recherche.

• Remarque : pour rappel, la relation entre longueur d'onde $\lambda$, fréquence $f$, et célérité $c$ :

  $\boxed{\lambda = \dfrac{c}{f}}$

III. Transmission d'informations

Cette partie a déjà été introduite en classe de première dans la fiche de cours suivante :

Les ondes mécaniques

1. Notion de transport de l'information (rappel)

• Pour rappel, une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu sans transport de matière, mais avec transport d'énergie, et donc d'information.

• Pour rappel, les caractéristiques d'une onde qui permettent de transporter des informations sont :

  $\circ\quad$ L'amplitude ;

  $\circ\quad$ La fréquence ;

  $\circ\quad$ La période ;

  $\circ\quad$ La longueur d'onde.

2. Modulation d'une onde (rappel)

• Pour transporter de l'information, une onde est modulée selon un code donné.

• Définition (rappel) :

  La modulation consiste à faire varier une caractéristique d'une onde (amplitude, fréquence ou phase) - dite porteuse - en fonction du signal à transmettre.

• Il existe deux types de modulation :

  $\circ\quad$ Modulation d'amplitude ($AM$) : l'amplitude de l'onde porteuse est modifiée en fonction du signal à transmettre.

  $\circ\quad$ Modulation de fréquence ($FM$) : la fréquence de l'onde porteuse est modifiée en fonction du signal à transmettre.

• Exemple :

  En radio, les signaux audio sont modifiés en amplitude ou en fréquence pour être transportés par les ondes radio.

3. Transport de l'information (rappel)

• Le transport de l'information est assuré par la propagation de l'onde modulée entre un émetteur et un récepteur :

  $\circ\quad$ L'émetteur code l'information sur l'onde porteuse ;

  $\circ\quad$ Le récepteur décode l'information en analysant les variations de l'onde reçue.

• Exemple :

  Dans les communications radio, un émetteur module une onde porteuse haute fréquence avec un signal audio basse fréquence. Le récepteur capte cette onde modulée et extrait le signal audio original.

4. Modes de transmission d'informations

• Comme cela a été revu, la transmission d'informations par ondes électromagnétiques repose sur la modulation d'une onde porteuse (onde sinusoïdale de haute fréquence) par le signal informatif (voix, données, etc.).

• Les autres points clés associés à la transmission d'information sont les suivants :

  $\circ\quad$ Transposition fréquentielle : pour transmettre des informations, on associe qualitativement la transmission de signaux différents dans un même milieu à une transposition fréquentielle. Par exemple, plusieurs stations radio peuvent diffuser simultanément dans la même zone géographique en utilisant des fréquences porteuses différentes.

  $\circ\quad$ Dimensionnement des antennes : la dimension des antennes est liée à la longueur d'onde $\lambda$ du signal transmis. Pour une transmission efficace, la taille de l'antenne doit être de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Par exemple, une antenne pour la FM (environ $100 \, \text{MHz}$) aura une taille de l'ordre de $3 \, \text{m}$.

  $\circ\quad$ Transmission par infrarouge :

  $\quad\quad \rightarrow$ Les télécommandes utilisent des signaux infrarouges modulés pour envoyer des commandes à distance ;

  $\quad\quad \rightarrow$ La transmission est directionnelle et nécessite une ligne de visée entre l'émetteur et le récepteur.

  $\circ\quad$ Transmission par onde radio :

  $\quad\quad \rightarrow$ Les communications mobiles (4G, 5G), la radio, et la télévision utilisent des ondes radio pour transmettre des informations ;

  $\quad\quad \rightarrow$ La transmission peut se faire en ligne de visée ou par réflexion sur l'ionosphère (pour les ondes courtes).

  $\circ\quad$ Transmission par fibre optique :

  $\quad\quad \rightarrow$ Les fibres optiques utilisent la lumière visible ou infrarouge pour transmettre des informations à très haut débit et sur de longues distances ;

  $\quad\quad \rightarrow$ La transmission repose sur la réflexion totale interne de la lumière dans la fibre.

IV. Applications concrètes

• Il existe une multitude d'applications possibles pour le présent cours, y compris pour un sujet d'oral :

  $\circ\quad$ Mise en œuvre de composants optoélectroniques dans un système de transmission : étudier le fonctionnement d'une diode électroluminescente (LED) ou d'une photodiode dans un système de transmission par fibre optique ou infrarouge ;

  $\circ\quad$ Étude des signaux d'une télécommande infrarouge : analyser le spectre d'émission d'une télécommande infrarouge et comprendre le principe de modulation utilisé pour transmettre des commandes (volume, chaîne, etc.) ;

  $\circ\quad$ Transmission par courant porteur en ligne : étudier le principe de la transmission d'informations par le réseau électrique domestique (Courant Porteur en Ligne, abrégé CPL), qui utilise les lignes électriques pour transmettre des données à haut débit.

• En effet, la diversification des moyens de communication est un enjeu prépondérant d'une société mondialisée, donc interconnectée.