TP1 LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

B. Produire des signaux, Communiquer
TP1 LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
Objectifs
-
Aperçu des ondes électromagnétiques (OEM) dont la lumière fait partie ;
-
Principe de l’émission et de la réception d’une OEM ;
Modéliser une tension alternative sinusoïdale.
I.
Introduction
1) Activité documentaire :
Au début du 19ème siècle les bases de l'électricité et du magnétisme commençaient à être établies, en
particulier pour l'électrostatique et la magnétostatique (charges électriques ou aimants immobiles). Coulomb
avait énoncé sa loi relative à la force électrostatique en 1785 et on disposait de piles (Volta 1800)
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.
Du côté de la théorie, c'est 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). La nature ondulatoire de la lumière était pratiquement
admise à l'époque, suite aux résultats expérimentaux 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.
Questions et Commentaires : on utilisera le texte et le cours du tronc commun sur les ondes.
Q1. Rappeler la définition d'une onde mécanique progressive
Q2. Indiquer le type de phénomènes expérimentaux utilisés par Young pour montrer la nature ondulatoire de
la lumière.
Q3. Le texte met en avant quatre points nouveaux avancés par Maxwell dans sa théorie électromagnétique.
Lesquels ?
Q4. Quelle propriété FONDAMENTALE différencie les ondes électromagnétiques des ondes mécaniques ?
Q5. Quel argument incite à penser que les ondes lumineuses sont de nature électromagnétique ?
2) transmission d’information
a) Transmission par onde lumineuse (p92)
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b) Transmission par un fil (p93 expérience au bureau)
Le GBF délivre une tension alternative sinusoïdale de fréquence de l’ordre de
1.
GBF
= 50kHz
Quelles est la nature du signal reçu ?
2. Comment varie la nature de l’onde reçue quand le signal de l’onde émise change ?
3. Quelle est la période du signal reçu ?
4. Quelle est sa fréquence ?
5. Conclure
Le GBF délivre maintenant une tension alternative sinusoïdale de fréquence de l’ordre de
GBF
= 500Hz
6. Comparer la qualité de la réception de l’onde basse fréquence à celle en haute fréquence ?
7. Conclure : L’émission d’ondes doit-elle être réalisée en basse ou haute fréquence ?
II.
Les ondes électromagnétiques, support de choix pour transmettre des informations
1) Généralités
Quotidiennement, des informations sont transmises par l’intermédiaire d’Ondes Electromagnétiques
(OEM) : télécommandes à infra rouge, fibre optique dans le cas de la téléphonie et l’internet, TV
radio ….
Une onde électromagnétique se propage dans le vide (ou dans l’air) avec la célérité c = 3,00.10 8ms-1.
Chaque onde est caractérisée par sa fréquence
(ou f) et sa longueur d’onde
telles que :
La lumière visible est une onde électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 400
(bleu) et 800nm (rouge). Calculer les fréquences correspondantes
2) Les ondes radios
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Les ondes radio (ou ondes hertziennes) sont particulièrement utilisées comme support (on les appelle
porteuse) pour différents types d’informations. Leurs longueurs d’ondes sont comprises entre
quelques mm et plusieurs km et leurs fréquences comprises entre 300 GHz et 30 kHz.
3) Interprétation de l’expérience I. 2)b)
III.
Modélisation d’une tension sinusoïdale
1) Acquisition d’une tension alternative sinusoïdale u1(t)
Réaliser l’acquisition d’une tension alternative sinusoïdale avec Latispro.
Branchement de l’interface : Relier le GBF aux bornes EA0 et masse de l’interface.
Paramétrage de l’acquisition : Comme indiqué ci contre
Paramétrage du Déclenchement :
Source EA0
Sens : montant
Seuil : 0,5V
Pré trig : 0%
Réglage du GBF :
=440Hz
Ucc = 1,23V
2) Acquisition d’une tension positive sinusoïdale u2(t)
Paramétrage du Déclenchement :
Source EA0
Sens : montant
Seuil : 1V
Pré trig : 0%
Réglage du GBF :
=440Hz
Ucc = 1,23V
Décalage d’offset : 0,6V
3) Modélisation des tensions
Copier le fichier « Modélisation tension sinusoidale.ltp » de l’atelier dans votre espace de travail.
Modéliser chaque courbe par la fonction cosinus et écrire leur équation respective. Identifier le
maximum de termes possible et écrire les équations générales d’une tension alternative
sinusoïdale et d’une tension sinusoïdale positive.
IV.
Multiplication de deux tensions sinusoïdales
On rappelle la relation trigonométrique suivante :
 En déduire l’expression du produit
avec
deux tensions sinusoïdales
 Proposer une représentation de
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