Ph 3.1 Transmission des informations par ondes électromagnétiques


1. Transmission des informations :

1.1 Transmission d’un signal sonore par un faisceau lumineux (faisceau laser)

1) Expérience

 

2) Observations

Que se passe-t-il quand le phototransistor est éclairé ?
le HP émet un son.  

3) Explications

Quel est le rôle de la diode laser ?
La diode laser émet de la lumière.

Quel est le rôle du phototransistor ?
Le phototransistor se comporte comme un interrupteur.
Lorsqu’il est éclairé, il est passant (= interrupteur fermé) et un courant électrique peut circuler dans le circuit récepteur 

Comment est transmise l’information de l’émetteur au récepteur ?
Le générateur de mélodies émet un signal électrique qui est transporté par le faisceau lumineux. Le faisceau lumineux est la porteuse. Il transmet l’information sans transport de matière mais avec transport d’énergie.
Le faisceau lumineux est modifié par le signal électrique contenant l’information : on dit qu’il est modulé ou que le signal module la porteuse.

Remarque :
Le signal électrique à transmettre (signal modulant) est un signal électrique de basse fréquence.
La porteuse (onde lumineuse) est un signal de haute fréquence.

4) Question

Que se passe-t-il quand le faisceau lumineux est interrompu par un obstacle ? Comment peut-on modifier le montage pour transmettre l’information ?
Le phototransistor ne fournit pas de courant électrique au haut-parleur qui n’émet pas de son. Il faut, pour contourner l’obstacle, placer une fibre optique entre le laser et le phototransistor.

1.2 Signal transmis par une télécommande infrarouge

1) Expérience 1

Positionner le stroboscope face au phototransistor.

Appuyer sur le bouton arrière.

Déplacer le bouton glissière.

Observer le signal reçu sur l’écran de l’oscilloscope après avoir réglé la base de temps et la sensibilité verticale.

2) Expérience 2

Remplacer le stroboscope par une télécommande de télévision.
La positionner face au phototransistor. Appuyer sur différentes touches. 

Observer sur l’écran de l’oscilloscope après avoir réglé la base de temps et la sensibilité verticale.

Reproduire un oscillogramme observé. Interpréter.
L’amplitude de l’onde porteuse présente une succession d’états hauts et d’états bas : la porteuse est modulée.
Elle a subi un codage binaire (1 pour état haut, 0 pour état bas), car le signal transmis est "numérique".




3) Canal de transmission

Dans des câbles ou des fibres optiques, un grand nombre de communications téléphoniques doivent circuler en même temps. Chaque communication emprunte alors un canal différent à l’intérieur du câble ou de la fibre pour pouvoir être guidée par les postes centraux jusqu’au poste du bon interlocuteur.
Quand on appuie sur une touche de la télécommande de la télévision pour changer de chaîne, le signal, transmis par le faisceau infrarouge produit par la diode, emprunte un canal pour être reconnu par le récepteur.
 
Que peut-on conclure entre le signal transmis et le canal emprunté ?
Quel que soit le type de transmission, un signal est toujours transmis par un canal qui lui est propre.

2. Les ondes électromagnétiques

2.1 Un peu d’histoire...

Au début du 19ème siècle les bases de l'électricité et du magnétisme étaient connues.
En particulier, Coulomb avait énoncé sa loi relative à la force électrostatique (charges électriques immobiles) en 1785. Depuis 1800, ( invention de la pile par Volta), on disposait de générateurs permettant de faire circuler des courants importants.
Les phénomènes électriques et magnétiques étaient apparemment sans lien, et on pensait que les actions électriques ou magnétiques se propageaient à vitesse infinie (instantanément).

Mais en 1819, Hans Oersted découvre expérimentalement l'effet magnétique créé par un courant, tandis qu'en 1837 Michael Faraday montre qu'au contraire une variation de champ magnétique peut créer un courant dans un circuit. L’électricité et le magnétisme sont liés.

Du côté de la théorie, en 1822 qu'André-Marie Ampère publie la 1ère théorie mathématique de l'électrodynamique.
Ses travaux sont poursuivis par James Clerk Maxwell qui commence ses publications en 1855. Maxwell unifie les forces électrique et magnétique et affirme la possibilité de l'existence d'une onde électromagnétique, constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique se propageant même dans le vide, à vitesse finie.
De plus sa théorie montre que la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide, calculée à partir de constantes de l'électrostatique et de la magnétostatique déjà connues est étrangement égale à celle de la vitesse de la lumière (mesurée en 1849 par Fizeau). Or, la nature ondulatoire de la lumière était pratiquement admise à l'époque, suite aux résultats expérimentaux ( diffraction et interférences ) de Young et de Fresnel au début du siècle. Il postule alors (1864) que la lumière est elle même une onde électromagnétique. Ses travaux sur l'électromagnétisme prennent fin en 1873.

C'est Heinrich Hertz qui entre 1887 et 1888 apporte les preuves expérimentales étayant la théorie de Maxwell. En travaillant à très haute fréquence (quelques centaines de mégahertz) il obtient d'abord des ondes électriques dans des fils métalliques, puis prouve que la vitesse de propagation dans l'air des effets électromagnétiques n'est pas infinie, et enfin l'existence d'ondes électromagnétiques dans l'air.
Hertz a construit les premières antennes émettrice et réceptrice d'ondes électromagnétiques. L'évolution technique est ensuite rapide puisque dès 1899 Marconi réalise la première liaison sans fil à travers la Manche.


Rappeler la définition d'une onde
Une onde est la propagation d’un perturbation, se déplaçant avec transport d'énergie mais sans transport de matière.

Le texte met en avant quatre points nouveaux avancés par Maxwell dans sa théorie électromagnétique. Lesquels ?
De quoi est constituée une onde électromagnétique ?
Une onde électromagnétique est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique.

Quelle propriété différencie les ondes électromagnétiques des ondes mécaniques ?
Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de support matériel pour se propager. (elles peuvent se propager dans le vide )

Quels arguments incitent à penser que les ondes lumineuses sont de nature électromagnétique ?
On observe les mêmes phénomènes de diffraction et d’interférence (expériences de Young et de Fresnel) et la vitesse mesurée pour la lumière (dans le vide, c = 3.108 m.s-1) est égale à celle calculée pour les ondes électromagnétiques.

Rappeler l'ordre de grandeur des fréquences et des longueurs d'onde des ondes lumineuses.
     Pour le visible:  400nm< λ  < 800 nm
Calculer l'ordre de grandeur des longueurs d'ondes des ondes électromagnétiques utilisées par Hertz.
Le texte indique que Hertz utilisait des fréquences de l'ordre de quelques centaines de mégahertz.
Pour f = 300 MHz, dans le vide, 
         


2.2 Classification des ondes électromagnétiques

Compléter avec les noms des types d’onde et des exemples d’émetteurs et de récepteurs.







3. Les ondes hertziennes

3.1 Définition

Les ondes de fréquence comprise entre 104 et 1011 Hz ( 10-3 m < l0 < 104 m ), sont appelées « ondes hertziennes ».
Comme toutes les ondes électromagnétiques -et la lumière-, elles se propagent dans le vide ( c = 3.108 m.s-1) et dans les milieux »transparents » ( dans une fibre optique, la vitesse est de l’ordre de 108 m.s-1). 
Elles se réfléchissent sur le métaux et sur d’autres milieux. 

En fonction de leurs caractéristiques, on utilise ces ondes comme porteuses pour différents types de transmissions.



3.2 Réception et émission d’ondes hertziennes

1) Expérience 1 : Les ondes traversant la salle

Connecter un fil électrique d’environ 1 m sur la voie II d’un oscilloscope (pas de fil connecté à la masse).
Quel est le rôle de ce fil électrique ?
 il sert d’antenne réceptrice. 

Qu’observe-t-on sur l’écran de l’oscilloscope après avoir réglé la base de temps (5 ou 10 ms/div) et la sensibilité verticale ?
On observe un signal complexe, superposition de signaux plus simples. 


Peut-on mettre en évidence une fréquence particulière ? A quoi peut-elle correspondre ?
T = 2 x 10 = 20 ms              f = 50 Hz
La fréquence de 50 Hz est celle du courant électrique sinusoïdal délivré par EDF. Ce signal électrique crée des ondes électromagnétiques dans notre environnement détectées par l’antenne reliée à l’oscilloscope car elles engendrent des tensions entre l’antenne et la masse de l’oscilloscope

2) Expérience 2 : Emission et réception

Connecter un fil électrique E de longueur 1 m sur la sortie d'un GBF (pas de fil connecté à la masse). Les deux fils (GBF et oscilloscope) doivent être parallèles et proches (quelques centimètres).
Régler le GBF sur un signal alternatif sinusoïdal, de fréquence voisine de 200 kHz.
En voie I entrer le signal de sortie du GBF et le visualiser, après avoir réglé la base de temps (20 ms/div) et la sensibilité verticale, en même temps que le signal reçu (appuyer sur DUAL).
A partir de zéro, augmenter le niveau de sortie du GBF, en observant les signaux à l'oscilloscope, et vérifier ainsi que fil électrique R capte bien un nouveau signal.

Quelle est la forme du signal reçu sur la voie II ?
On observe un signal sinusoïdal de même fréquence que le signal émis par le GBF.

Quel est le rôle de chaque fil électrique E et R ?
E : antenne émettrice     R : Antenne réceptrice
La tension sinusoïdale délivrée par le GBF crée des oscillations électriques dans le fil E; elles produisent une onde électromagnétique de même forme et de même fréquence que les oscillations.
L’onde électromagnétique se propage dans tout l’espace puis est captée par le fil électrique R. Elle crée -dans le fil électrique R- un signal électrique de même forme et de même fréquence que celui émis par l’antenne émettrice.

Quelle est l’influence de la longueur de chacun des fils ?
L’émission ou la réception sera d’autant meilleure que le fil est plus long.

Quelle est la position relative qui rend la réception optimale ?
La réception est optimale quand les fils sont proches, tendus et parallèles.

Quel est l’effet produit par l’augmentation du niveau de sortie du GBF ?
La réception est meilleure car l’intensité de l’émission est plus grande.

Régler le GBF sur une fréquence voisine de 2 kHz et la base de temps (5 ms/div).
Qu’observe-t-on ?
On observe la modulation du signal émis par le GBF par le signal électrique de fréquence 50Hz.

Dessiner l’oscillogramme de la voie II.



3) Expérience 3 : Transmission par onde hertzienne

Régler le GBF sur un signal alternatif sinusoïdal, de fréquence voisine de 200 kHz.

 
Placer un récepteur radio à quelques mètres du montage électrique. Sélectionner la gamme G.O. (grandes ondes).
Affiner le réglage de la réception afin d’entendre le signal musical délivré par le générateur de mélodies.
Recommencer en modifiant légèrement la fréquence du GBF
Interpréter.
Le générateur de mélodie crée un signal basse fréquence ( signal à transmettre ).
Le GBF crée une onde de haute fréquence ( porteuse ). Cette onde porteuse est modulée par le signal à transmettre.
Cette onde électromagnétique se propage d’un émetteur à un récepteur . Le récepteur doit être conçu pour recevoir l’onde porteuse, la démoduler et récupérer le signal informatif.

4.Modulation d’une tension sinusoïdale

.1 Information et modulation

Le signal informatif est un signal basse fréquence (< 20 kHz) qui n’est pas adapté à la transmission des ondes hertziennes parce que :

4.2. Modélisation d’une tension sinusoïdale

 Toute tension sinusoïdale peut s’exprimer sous la forme :
u(t) = Um cos (2 pf t + F0)

avec       Um : amplitude (V)

              f : fréquence (Hz)

              F0 : phase à l’origine des dates

4.3 Paramètres pouvant être modulés

Le signal à transmettre module l’onde porteuse. L’amplitude, la fréquence et la phase sont les 3 caractéristiques de l’onde porteuse qui peuvent être modulées.

1) Modulation d’amplitude




L’amplitude Um de l’onde porteuse est modifiée par le signal modulant (la fréquence de l’onde porteuse f et F0 sont des constantes)

2) Modulation de fréquence

La fréquence de l’onde porteuse suit les variations du signal modulant (Um et F0 sont des constantes)



3) Modulation de phase

La phase F de l’onde porteuse suit les variations du signal modulant (Um et f sont des constantes)