Modélisation d`un microscope

TP n°10 Physique
Partie C : Produire des signaux, communiquer.
Classe : Spéc.
Transmettre des ondes électromagnétiques
I/ Transmission d’informations
1) Emettre et recevoir
Expérience
On désire transmettre une information (ici un signal
électrique) à distance. On effectue le montage ci-contre :
On règle le GBF sur une fréquence de l’ordre de 100 kHz
et on le relie à un oscilloscope (osc 1). On place un fil (E) d’environ
1 m sur la phase du GBF. On place un fil (R) identique sur un autre oscilloscope (osc 2) distant.
Questions
a) Annoter le schéma en tenant compte des données ci-dessus.
b) Observe-t-on un signal sur osc 2 ? Si oui, déterminer sa fréquence et la comparer à celle du signal
affiché sur osc 1.
c) Comment évolue le signal sur osc 2 lorsqu’on fait varier la fréquence de celui affiché sur osc 1 ?
d) Quel est le rôle du fil E ? On parle alors d’antenne …………..
e) Quel est celui du fil R ? On parle alors d’antenne …………...
f) Quelle est la position relative des fils qui rend la réception optimale ?
g) Comment l’information a-t-elle été transmise d’un fil à l’autre ?
h) Cette expérience aurait-elle été possible sans atmosphère ?
2) Necessité d’une onde porteuse
Données à retenir
- Un microphone transforme une information sonore en un signal électrique de fréquence identique.
- Les sons audibles ont des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz
- Les signaux basses fréquences (fréquences inférieures à 300 kHz) sont fortement amortis avec la
distance.
- La dimension d’une antenne réceptrice doit être de l’ordre de la moitié de la longueur d’onde du signal.
Questions
a) Est-il possible d’émettre sur une grande distance le signal électrique produit par un microphone ?
b) Quelle devrait être théoriquement la taille d’une antenne réceptrice pour capter un signal de 10 kHz ?
c) Qu’arriverait-il à l’information captée par une antenne réceptrice si deux personnes émettaient à
distance, en parlant dans un microphone, deux signaux produits directement par leur microphone ?
Conclusion
Il est donc nécessaire de transporter une information contenue dans un signal électrique à l’aide d’un autre
signal de fréquence très élevée appelé « onde porteuse ». Cette onde porteuse est modifiée de manière à
contenir les informations à transmettre : c’est la modulation (voir partie III).
II/ Les ondes électromagnétiques
1) Caractéristiques importantes
 Une onde électromagnétique est composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique variables
créés par un courant électrique variable. En effet, un courant électrique variable modifie
continuellement les propriétés électriques et magnétiques de son environnement.
 Dans un milieu homogène et isolant, les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite.
 Les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces conductrices (métaux par ex.) et
traversent plus ou moins bien les autres matières (bois, verre, …).
 Les ondes électromagnétiques se propagent de manière idéale dans le vide à la vitesse de la lumière
appelée « célérité » et notée c = 300 000 km.s-1 ( 299 792 458,000 m.s-1)
 Une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence f constante quelque soit le milieu qu’elle
traverse. Sa longueur d’onde dépend de la vitesse de propagation de l’onde dans le milieu considéré :
f
vmilieu
milieu 
ce qui donne dans le vide :
f
c
vide 

TP n°10 Physique
Partie C : Produire des signaux, communiquer.
Classe : Spéc.
2) Classement des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques ont des propriétés plus ou moins différentes suivant leur fréquence.
(B.F.L.F.) Basses Fréquences : f < 300 kHz
(M.F.) Moyennes Fréquences : 300 kHz < f < 3 MHz
(H.F.) Hautes Fréqences : 3 MHz < f < 30 MHz
(THFVHF) Très Hautes Fréqences : 30 MHz < f < 300 MHz
(U.H.F.) Ultra Hautes Fréqences : 300 MHz < f < 3 GHz
(S.H.F.) Super Hautes Fréqences : 3 GHz < f < 30 GHz
(E.H.F.) Extra Hautes Fréqences : 30 GHz < f < 300 GHz
III/ Modulation d’un signal
Un microphone convertit une onde sonore (de fréquence inférieure à 20 kHz pour être audible) en une onde
électrique de fréquence identique. De ce fait, l’onde électrique produite est de basse fréquence (< 300 kHz).
L’onde électromagnétique produite par un tel signal électrique n’est de loin pas idéale pour être transmise. Pour
pallier aux problèmes liés aux signaux B.F. il convient alors d’utiliser des ondes de Hautes Fréquences pour
transporter l’information en Basse Fréquence.
1) Qu’est ce qu’un signal sinusoïdale ?
Une tension sinusoïdale u varie en fonction du temps. Elle sera donc notée u(t). Son expression est :
u(t) = U cos ( t + ) U est l’amplitude maximale du signal (en Volt)
 est la pulsation (en rad.s-1)
 est le déphasage (en rad)
a) Charger sur http://thedoc777.free.fr l’application Excel S08 et modifier les grandeurs U, et
. En déduire celle qui modifie la fréquence f du signal.
b) Exprimer u(t) en fonction de la période T du signal sinusoïdal sachant que = 2 f
c) Montrer alors que u(t + T) = u(t)
2) La modulation d’amplitude
3) Le filtrage
Pour sélectionner une émission, l’antenne réceptrice doit être capable de selectionner l’onde porteuse
désirée à partir de sa fréquence fP. On utilise alors un dispositif « filtre passe bande » contenant une
bobine d’inductance L et un condensateur de capacité C. Ce dipôle LC est un
filtre : les signaux captée par l’antenne dont la fréquence n’est pas fortement voisine de
sont fortement atténués. Ceux dont la fréquence est très voisine de fRes gardent
une amplitude notable et seront démodulés puis amplifiés de manière à recréer le message transmis .
En modifiant la valeur de L ou de C on peut ainsi choisir la fréquence que l’on veut réceptionner.
Visible
………< < ………
10 –20 10 –18 10 –16 10 –14 10 –12 10 –10 10 –8 10 –6 10 –4 10 –2 10 0 10 2 10 4
(m) dans
le vide
Rayon
Rayon X
U.V.
I.R.
f (Hz)
Onde Radio
Placer les initiales des
gammes de fréquences dans
l’intervalle correspondant
A NOTER :
- La fréquence f d’une onde électromagnétique est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde .
- L’énergie transportée par une onde électromagnétique est directement proportionnelle à sa fréquence. De ce
fait, plus la longueur d’onde d’une onde électromagnétique est courte, plus l’onde transporte d’énergie.
On dispose d’une tesion sinusoïdale de Haute Fréquence fP (signal
porteur) qui génerera, grâce à l’antenne émettrice, une onde
électromagnétique qui pourra être émise sur de longues distances.
On dispose de la tension sinusoïdale de Basse Fréquence
contenant l’information à transmettre. (signal modulant)
Un dispositif électronique associe les deux signaux pour obtenir un
signal modulé en amplitude (dans lequel on retrouve la fréquence fP )
qui sera ensuite émis par l’antenne émettrice. L’enveloppe de ce
signal modulé contient les informations à transmettre.
LC
fs
2
1
Re 
u(t)
Types d’ondes radio :
(Rayonnement de très haute énergie)