Physique sti2D chapitre 4

Chapitre 4
Ondes électromagnétiques
Découvrir
Activité documentaire n° 1
Où trouve-t-on des ondes électromagnétiques ?
• Exploiter :
1. Les ondes radiofréquences.
2. Four à micro-ondes.
8
c
3. λ0 = 0 = 3 × 10 8 =12,5 cm.
f
24 × 10
4. La télécommande de la télévision.
5. Dans la cuisine, au niveau de la plaque à induction.
Activité expérimentale n° 2
Quels paramètres déterminent le niveau d’exposition aux ondes
radiofréquences ?
• Exploiter :
1. Le niveau, mesuré en dBm ou en V.m–1, décroît avec la distance.
2. Une plaque en PVC opaque n’entraîne aucune modification du niveau reçu par la sonde de
puissance.
3. Les grillages métalliques commencent à avoir une influence dès lors que les dimensions du
maillage sont voisines de la longueur d’onde. Un maillage millimétrique permet de bloquer les
ondes émises par le GSM.
Démarche d’investigation n° 3
• Travail à réaliser :
1. On dispose le vidéoprojecteur pour que son faisceau traverse la cloche à vide, à l’intérieur de
laquelle le téléphone portable a été placé.
Après avoir effectué le vide, on appelle le téléphone.
2. On constate que le téléphone reçoit l’appel et établit la communication mais que le son émis
par la sonnerie est très fortement atténué. En revanche, l’image fournie par le vidéoprojecteur
n’est pas altérée lorsque l’on effectue le vide.
On commande l’arrêt du vidéoprojecteur en faisant traverser au faisceau infrarouge la cloche à
vide. Le vidéoprojecteur s’éteint normalement.
Les ondes visibles (émises par le vidéoprojecteur), infrarouges (de la télécommande) et radio-fréquences (du téléphone) se sont propagées dans le vide, contrairement aux ondes sonores.
24
© NATHAN - La photocopie non autorisée est un déli t.
Les ondes électromagnétiques visibles, infrarouges et radiofréquences
peuvent-elles se propager dans le vide ?
Extraire l’information utile
Vérifier l’exposition aux radiofréquences
• Exploiter :
1. La grandeur retenue par la norme pour mesurer le niveau d’exposition aux ondes radiofréquences est l’intensité du champ électrique (efficace) exprimée en V.m–1.
2. La valeur limite est voisine de 60 V.m–1 sur la gamme de fréquences des téléphones sans fil
DECT.
3. En téléphonie mobile, on repère dans le tableau les fréquences GSM à 933,8 MHz, 1858,4 MHz
et 1864,6 MHz puis les fréquences UMTS à 2127,8 MHz
4. L’émetteur TV est placé sur la tour Eiffel et diffuse sur la fréquence de 530 MHz. La longueur
d’onde associée est λ0 =
3,0 × 108
= 57 cm.
5,3 × 108
Réaliser un TP
Liaison hertzienne
• Exploiter :
1. La fréquence des ondes électromagnétiques émises est identique à celle du GBF, c’est-à-dire
f0 = f1 = 10 MHz. On en déduit une longueur d’onde associée λ0 =
2. L’antenne la plus longue (2 m) assure la meilleure transmission.
3,0 × 108
= 30 mètres.
0,1 × 108
3. La position angulaire de l’antenne réceptrice influe le niveau de réception car le cas optimal
en polarisation rectiligne correspond à deux antennes parallèles. Lorsque l’on réalise l’expérience,
il ne faut pas perdre de vue que des réflexions multiples peuvent venir perturber la polarisation
de l’onde.
4. La tension fournie par l’antenne diminue lorsque la distance émetteur-récepteur augmente.
S’entraîner
Testez vos connaissances
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1. c) ; 2. a) ; 3. c) ; 4. a) ; 5. c) ; 6. b) ; 7. a), b) et c) ; 8. b) et c) ; 9. a) ; 10. a) et c) ; 11. c)
Applications directes du cours
12 Garage, ouvre-toi !
1. Ondes radiofréquences UHF.
c
2. , = λ = 0 =
2
2f
3,0 × 108
= 35 cm.
2 × 4,32 × 108
13 Polarisation de la radio FM
1. Polarisation linéaire verticale.
8
c
2. , = λ = 0 = 3,0 × 10 8 = 75 cm.
4 × 1 × 10
4 4f
3. Pour qu’elle soit parallèle à l’antenne émettrice.
Chapitre 4 - Ondes électromagnétiques
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14 Kit oreillettes
1. Ondes électromagnétiques UHF de la gamme des micro-ondes.
2. Le niveau reçu en un point donné dépend de la puissance de la source émettrice. La source la
plus perturbante est le téléphone mobile GSM.
3. On considère que la distance a été multipliée par un facteur 100 en éloignant le téléphone.
L’intensité du champ magnétique vérifiant la relation E =
5α.P0
sera divisée par un facteur 100.
d
15 Une onde qui donne l’heure
1. Une antenne quart d’onde devrait avoir une longueur :
c
,=λ= 0 =
3,0 × 108
= 968 m.
4f
4
4 × 77,5 × 103
2. Pour la portée maximale, le temps de propagation de l’onde est :
d
1,5 × 103
t=
=
= 5 µs, valeur négligeable devant 1 s.
c0
3 × 108
Exercices d’entraînement
16 Beaucoup de trous mais pas de fuites !
1. Puissance de 2 W pour un téléphone portable, et de l’ordre du kW pour un four à micro-ondes.
2. Longueur d’onde des ondes électromagnétiques émises par le four à micro-ondes :
8
λ0 = 3,0 × 10 8 =12 cm.
24,6 × 10
Cette valeur est largement supérieure au diamètre des trous de la grille.
Cette dernière permet ainsi de confiner les micro-ondes à l’intérieur du four.
3. La puissance électromagnétique est partiellement absorbée par les aliments (et convertie en
chaleur). Il y a réflexion de l’onde transmise sur les parois du four et sur la grille. Une infime partie
de la puissance réussit à sortir du four.
Lors du fonctionnement à vide, il n’y a aucune absorption par les aliments et toute la puissance se
réfléchit sur les parois, augmentant les fuites au niveau de la porte du four à micro-ondes.
4. La distance est multipliée par un facteur 10. L’intensité du champ magnétique vérifiant la
5α.P0
relation E =
, sera divisée par un facteur 10.
d
On relèvera une intensité de 0,3 V.m–1.
1. dCD= 0,78 µm.
dDVD=0,64 µm.
2. Le diamètre du spot utilisé par le DVD est bien inférieur au pas de la spire, ce qui permet de
suivre correctement la piste.
3. Le spot du laser Blu-ray est encore plus fin, ce qui permet de réduire le diamètre des alvéoles
et le pas de la spire. La capacité de stockage est ainsi augmentée (25 Go).
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17 Écrire de plus en plus petit
18 Émetteur TNT
1.
champ
électrique
longueur d’onde
direction de
propagation
champ
magnétique
2. La réception est optimale pour un angle de 90°, correspondant à une polarisation horizontale.
3. d =
5α.P0 0300 × 23 × 103
= 50 km.
=
E
53 × 10–3
19 GPS
c0
3,0 × 108
=
=19 cm.
f1 15,75 × 108
8
c
λ2 = 0 = 3,0 × 10 8 = 24 cm.
f2 12,28 × 10
6
R
2. t = = 20,2 × 10
= 0,067 s.
8
c0
3 × 10
3. La fréquence de l’onde électromagnétique est imposée par la source (satellite GPS), elle n’est
pas modifiée. En revanche, la longueur d’onde est liée au milieu traversé, donc elle est modifiée.
1. λ1 =
20 Plaque à induction : ça chauffe
1. Les ondes émises sont dans la gamme basse fréquence (LF).
2. Dans des conditions de mesure en un point donné, l’augmentation constatée de l’intensité E
du champ électrique est liée à l’augmentation de la puissance rayonnée par la plaque à induction.
5α.P0
3. En appliquant deux fois la formule E =
, on obtient le rapport :
d
4
()
() () ()
E2
P
E 2 P
E 2
20 2
5 2 25
= 2 soit 2 = 2 ce qui donne P2 = P1 2 = 4
= 4
= , soit environ thermostat 6.
E1
P1
E1
P1
E1
16
4
4
E
4. B = = 67 nT.
c
21 Laser DVD
c0
3,0 × 108
=
= 476 THz
λ1
0,63 × 10–6
c
3,0 × 108
f2 = 0 =
= 454 THz
λ2
0,66 × 10–6
soit f = 465 ± 11 THz (laser rouge).
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1. a) f1 =
b) L’intensité d’une onde électromagnétique est caractérisée par sa densité surfacique de puissance électromagnétique, qui correspond à l’énergie transportée par l’onde électromagnétique par
unité de surface et unité de temps (W . m–2).
P
P0
P
4 × 90 × 10–3
Ici, on a δ = 0 =
= 29 kW · m–2.
= 4 02 =
2
S (pD /4)
(pD )
π × 4 × 10–6
On obtient E = 72 α.δ = 02 × 377 × 29 × 108 = 4,7 kV.m–1.
On en déduit B =
E
= 16 µT.
c0
Chapitre 4 - Ondes électromagnétiques
27
2. a) α = sin–1 (NA) = sin–1 (0,6) = 37°.
b) NA = sin (α) =
(D/2)
(D/2)
1
soit f =
=
= 1,7 mm.
f
NA
0,6
1,22 l1
= 1,28 µm.
NA
1,22 l2
d2=
= 1,34 µm.
NA
d = 1,31 ± 3µm.
P
P0
P0
4 × 90 × 10–3
d) δ = 0 =
= 67 kW · m–2.
=
4
=
S (pD2/4)
(pD2)
π(1,31 × 10–6)2
c) d1=
22 OBJECTIF BAC Internet sous les océans
c0
c
3 × 108
= 2,04 × 108 m.s–1.
soit c = 0 =
c
n
1,47
D 6 × 5 × 106
2. Dt = =
= 3,2 × 10–2s = 32 ms.
c 2,04 × 108
3. La longueur d’onde choisie correspond à un minimum d’atténuation.
4. L’atténuation vaut alors 0,22 dB.km-1.
5. L’atténuation entre les deux extrémités de la fibre est de 1 430 dB.
P
P0
P
4 × 40 × 10–3
6. a) δ = 0 =
= 5,1 × 108 W.m-2.
= 4 02 =
2
S (pD /4)
(pD )
π × 10–10
b) On obtient E = 72 α.δ = 02 × 377 × 51 × 109 = 6,2 × 105 V.m-1.
E
On en déduit B = = 2 × 10-3 T.
c
1. n =
23 It’s in English
Énoncé
Une antenne détecte un champ électrique d’intensité E = 0,25 mV.m-1.
Si la distance entre l’émetteur et l’antenne est multipliée par 10, alors
l’intensité du champ électrique vaut :
❑ a) 2,5 mV.m-1
❑ b) 25 µV.m-1
❑ a) 0,14 mV.m-1
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Corrigé
b) 25 µV.m-1.
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