TP11

TS Spécialité-Produire des signaux-Communiquer
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T.P-cours de Physique n°11 :
LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
A. Présentation.
Les ondes électromagnétiques sont le support principal des télécommunications.
Les ondes électromagnétiques permettent la transmission extrêmement rapide et sans support
matériel d'un grand nombre d'informations simultanément.
Les ondes électromagnétiques,
support de choix
pour transmettre
l’information.
Les informations sont émises sous forme d’ondes électromagnétiques au moyen d'antennes
émettrices, transmises grâce à la propagation de ces ondes puis captées via des antennes
réceptrices.
Les grandeurs associées aux ondes électromagnétiques sont des champs électriques et
magnétiques dont les caractéristiques sont fixées
par les équations de Maxwell (1831-1879). Ces
ondes peuvent se propager dans le vide et dans
beaucoup de milieux matériels.
Comme toutes les ondes périodiques, elles sont caractérisées par leurs longueurs d’onde λ, leurs célérités c et
leurs fréquences f liées par la relation :
λ=c
f
= c ⋅T
8
-1
La célérité de référence de ces ondes est celle de leur propagation dans le vide : c = 3.10 m.s .
Dans les milieux matériels, la vitesse est inférieure à celle du vide.
Les ondes électromagnétiques proposent des propriétés et des manifestations très différentes selon leur longueur
d’onde :
Dans la suite, ce sont les ondes hertziennes qui nous intéresseront (λ > 1 mm). Elles se propagent sans support matériel, comme la
lumière ; elles peuvent traverser un grand nombre de matériaux mais
sont arrêtées par les métaux, ce qui explique la difficulté de capter
des émissions radio à l'intérieur de locaux en béton armé sans antenne extérieure.
Les ondes Hertziennes découvertes par le physicien Hertz (18571894) sont elles-mêmes classées en différentes catégories et ont des
applications différentes selon leur longueur d’onde (Radar, télévision,
radio,…). cf. Doc. 4. p 75 du livre.
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B. Expériences illustrant les propriétés des ondes Hertziennes.
B.1. Emission/réception par des antennes.
1.
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Mettre l’oscilloscope sous tension, vérifier les calibrages et régler le zéro des deux voies.
Connecter un fil conducteur de 1 m sur la voie 1 de l’oscilloscope, pas de fil connecté à la masse.
Sélectionner la voie 1, et un balayage de 10 ms/Div. Qu’observez-vous ?
En utilisant les possibilités de réglages de l’oscilloscope, déterminer les fréquences des signaux reçus.
2.
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Détecter les ondes traversant la salle
Emettons des ondes électromagnétiques
Connecter un fil conducteur de longueur 1 m sur la sortie du G.B.F.
Connecter un fil conducteur de 1 m sur la voie 1 de l’oscilloscope.
Relier la masse du GBF avec celle de l’oscilloscope.
Les deux fils (GBF et oscilloscope) doivent être parallèles et proches (quelques centimètres l’un de l’autre).
(montage 1 ci-dessous)
Régler le GBF sur un signal alternatif sinusoïdale de fréquence 500 Hz. Puis augmenter progressivement à
partir de zéro l’amplitude du signal émis par le G.B.F. Que constatez-vous ? Déterminer la fréquence du nouveau signal détecté.
Modifier la fréquence du signal du G.B.F. en prenant par exemple 5 kHz sans modifier l’amplitude. Que constatez-vous ?
Conclusion : Quel rôle joue chacun des deux fils ?
A travers quel milieu a voyagé l’onde et par conséquent l’information qu’elle transportait (sa fréquence) ?
Eloigner l'antenne réceptrice de l'antenne émettrice. Observer.
Un émetteur d'ondes hertziennes est constitué d'un oscillateur électrique relié à une antenne émettrice.
L'oscillateur crée un courant électrique sinusoïdal qui parcourt le circuit et l'antenne émettrice. Une partie de
l'énergie électrique produite est alors dissipée sous forme d'énergie rayonnée par l'antenne.
Les ondes hertziennes ainsi produites sont captées par une antenne réceptrice.
B.2. Réception et circuit (LC) parallèle
Antenne
GBF
Voie 1
GBF
L,r
C
Us
Oscilloscope
(Voie 1)
Montage 1
Montage 2
Pour chaque montage, faire varier la fréquence f du GBF.
(Conserver les mêmes réglages de l'oscilloscope pour les deux expériences)
- Décrire les observations. Comparer les réponses des deux montages.
- Quel avantage le deuxième montage présente-t-il ?
- Calculer la période propre du circuit LC
- Comparer la période du signal observé sur l'oscilloscope à la période propre du circuit (L, C) ?
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B.3.
B.4. Illustration d’une chaîne de transport de l’information : utilisation d’une fibre optique.
modulation
Signal
(son)
Signal
transportable
Emission
Réglages :
fibre optique
réception
Signal
de départ
démodulation
Traitement
du signal
1.A. 5 ms/di ; 50 mV/div ; T = 4×5=20 ms ; f = 50 Hz
1.B. 0,2 V/div ; 1 ms/div
2. 47 nF et 40 mH ; f = 3,7 kHz ; 50 mV/div ; 0,1 ms/div.
47 nF et 3,2 mH ; f = 13 kHz ; 50 mV/div ; 20 µs/div.
47 nF et bobine avec fer doux ; f = 21,4 kHz ; 50 mV/div ; 20 µs/div. En bougeant le fer doux la fréquence varie
(à moitié : 23 kHz et sans 43 kHz).
Eléments de réponses :
1. b) Le générateur basse fréquence délivre une tension sinusoïdale de fréquence et d'amplitude fixées. Il engendre des oscillations électriques dans le fil qui lui est connecté et qui joue le rôle d'antenne émettrice.
Les oscillations électriques dans cette antenne produisent une onde électromagnétique de même forme et de
même fréquence que les oscillations.
L'onde électromagnétique se propage dans tout l'espace et est captée par l'antenne réceptrice raccordée au dispositif de détection.
L'onde captée crée un signal électrique de même forme et de même fréquence que celui émis par l'antenne
émettrice.
2. Dans le montage 1, l'amplitude de la tension visualisée reste sensiblement constante lorsque que la fréquence
varie entre 300 Hz et 1000Hz.
Dans le montage 2 en conservant la même sensibilité sur l'oscilloscope, l'amplitude de la tension varie en fonction de la valeur de la fréquence f.
L'amplitude de la tension passe par un maximum pour la fréquence f égale à la fréquence propre f0 du circuit (L,C).
3. Les ondes hertziennes, qui se propagent dans le vide, traversent plus ou moins bien les milieux matériels, mais
elles ne se propagent pas au travers des métaux.
Exemples :
La carrosserie métallique d'une automobile fait écran à la propagation des ondes hertziennes : une antenne réceptrice extérieure est donc nécessaire.
Les édifices en béton armé se comportent comme des écrans métalliques : la réception radio est difficile à l'intérieur des tunnels.
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