Créée le, 24/05/2005

 Mise à jour le, 27/07/2015

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Production du Rayonnement Électromagnétique :




 

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PHYSIQUE        "3ème PARTIE"

2. - PRODUCTION DU RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Le moyen le plus simple et le plus généralement employé pour produire du rayonnement hertzien, est celui qui consiste à passer par l'intermédiaire des courants de haute fréquence. C'est la méthode qui fut utilisée par Hertz dans ses fameuses expériences et c'est encore la méthode employée aujourd'hui dans toutes les stations émettrices.

Dans l'esprit de bien des techniciens, rayonnement et courant de haute fréquence sont devenus synonymes. Pourtant, cette manière de voir n'est guère admissible et la chose apparaît évidente pour peu qu'on veuille bien y réfléchir.

Le courant de haute fréquence n'est pas du rayonnement pas plus qu'un courant téléphonique n'est une vibration sonore. Pour passer d'un état à l'autre, il faut utiliser un transformateur d'énergie qui est, dans le premier cas, un radiateur d'ondes ou antenne d'émission, et dans le second cas, un haut-parleur.

Un circuit électrique peut être le siège d'un courant de haute fréquence très intense sans qu'il y ait trace de rayonnement. Il est donc intéressant de chercher à comprendre comment on peut passer d'un courant de haute fréquence à une énergie rayonnée.

Il faut se garder de vouloir construire un modèle réel de rayonnement. Cela ne pourrait avoir aucun sens. C'est pourtant dans cette erreur qu'on tombe en traçant, comme dans la figure 10, les «composantes» du rayonnement comme deux champs électrique et magnétique orthogonaux (perpendiculaires) de même fréquence et en assimilant cette image à celle du rayonnement.

O10 

Il est facile de faire ressortir l'absurdité de cette conception. Tout d'abord, d'après les lois de Coulomb, l'intensité de chacun des champs doit décroître comme le carré de la distance alors que l'intensité de la composante rayonnée dans le vide absolu décroît comme la distance.

D'autre part, en superposant expérimentalement un champ magnétique et un champ électrique, on obtient pas de rayonnement. La force magnétique, comme la force électrique sont deux manifestations absolument indépendantes et qui n'ayant aucune réaction mutuelle.

Il faut donc considérer ces champs comme deux aspects particuliers du rayonnement, aussi différents du rayonnement lui-même qu'un dessin construit à deux dimensions est différent d'un modèle à trois dimensions.

Nous le répétons : il ne faut pas essayer de construire un modèle de rayonnement. Néanmoins, il n'est pas interdit de chercher à comprendre comment l'énergie peut passer de la forme électrique, à la forme rayonnée. Le rayonnement est de l'énergie détachée de son support de matière. Il s'agit d'expliquer comment un tel détachement peut se produire.

Imaginons qu'un électron, primitivement au repos, se mettre à se mouvoir. En d'autres termes, le conducteur qui le guide est le siège d'un courant électrique. Le résultat, nous le savons, c'est qu'un champ magnétique va se développer tout autour du conducteur.

On a cru longtemps que ce champ magnétique envahissait brusquement tout l'espace. Or, on sait, depuis EINSTEIN, qu'il ne peut pas y avoir d'action instantanée. Tous les phénomènes pouvant servir de signaux, quels qu'ils soient, se propagent avec une vitesse déterminée, dont le maximum possible est la vitesse de la lumière. C'est effectivement à la vitesse de cette dernière (300 000 km / s) que se propagent les champs magnétique et électrique. En conséquence, le champ magnétique envahira de proche en proche tout l'espace. Il apparaîtra au point P avant d'apparaître au point P' (figure 11).

O11 

Quand nous aurons atteint un régime stationnaire, le champ au point P, comme au point P' sera constant et ne dépendra que de la vitesse de l'électron et de la distance «d» qui sépare le point considéré du conducteur.

Au moment où le courant cesse de circuler, le champ magnétique disparaît mais, en temps normal, l'énergie totale qu'il représente apparaît sous forme d'un extra-courant ou d'une tension dite de self-induction. C'est ainsi que, lorsque l'on coupe certains circuits électriques, on voit apparaître une étincelle de rupture.

On peut imaginer assez facilement le phénomène de la self-induction au moment de la coupure du courant. Les lignes de force (lignes imaginaires) se replient progressivement autour de l'électron «e» et, en balayant le conducteur, alimentent la tension de self-induction. Les manifestations seront d'autant plus frappantes que l'énergie emmagasinée dans le champ magnétique apparaîtra en un temps plus réduit.

Mais supposons que le mouvement de l'électron puisse être brusquement arrêté. Que deviendrait l'énergie emmagasinée dans le champ magnétique ? Il lui serait alors impossible de se manifester dans le circuit puisque nous supposons que l'électron est immobilisé. Cet artifice nous permet, en quelque sorte, de détacher complètement l'énergie du champ magnétique de son support matériel. Elle apparaît alors sous forme de rayonnement.

Lorsque nous coupons brusquement un circuit électrique, nous faisons apparaître une étincelle de rupture mais, en même temps, nous créons une onde électromagnétique. L'expérience nous apprend que la simple rupture d'un circuit d'éclairage au voisinage d'un récepteur radio produit un bruit perturbateur. Plus la rupture est brusque et plus la composante rayonnée est relativement importante.

Cela s'explique. Si la rupture est relativement lente, la période de cessation du courant dure assez longtemps, grâce à l'étincelle de rupture, pour que la plus grande partie des lignes de force puisse revenir actionner l'électron avant qu'il ne soit contraint à l'arrêt absolu. Ainsi, le champ magnétique correspondant au point P aura le temps de revenir en «e», alors que celui de P' pourra rester dans l'espace (figure 11). L'avantage d'un arrêt brutal nous apparaît ainsi beaucoup mieux car l'intensité du champ magnétique est inversement proportionnelle au carré de la distance.

Reprenons notre supposition précédente : un électron est au repos dans un conducteur. Pour produire une composante rayonnée d'intensité maximale, il faut :

1) Communiquer à l'électron avec la plus grande rapidité, une vitesse aussi élevée que possible.

Puisque l'électron est supposé parti d'une vitesse nulle, on traduira ce qui précède sous une autre forme en disant qu'il faut communiquer à l'électron une accélération aussi grande que possible.

2) Après quoi, il faut l'arrêter dans le minimum de temps, c'est-à-dire lui communiquer une accélération négative aussi élevée que possible en valeur absolue.

Dès que l'électron sera arrêté, la composante rayonnée sera lancée dans l'espace. Les conditions seront les mêmes qu'au début et tout pourra recommencer.

Pour obtenir du rayonnement d'une manière continuelle, nous serons donc amené à lancer notre électron, à l'arrêter, puis à recommencer. Le résultat sera exactement le même si, au lieu de faire progresser l'électron toujours dans le même sens, nous le lançons alternativement dans un sens, puis dans l'autre.

Mais lorsque les électrons d'un conducteur partent alternativement dans un sens, puis dans l'autre en conservant toujours la même position moyenne, on convient de dire que le conducteur est le siège d'un courant alternatif. Pour obtenir du rayonnement, il faut créer du courant alternatif.

L'intensité de courant dans un conducteur représente la quantité d'électricité, c'est-à-dire le nombre d'électrons qui traverse une section en une seconde. On conçoit, d'après cela que le conducteur de la figure 10, cette intensité sera proportionnelle à l'amplitude du déplacement de notre électron supposé unique. Comme il s'agit d'un courant alternatif, nous serons amenés à considérer l'amplitude maximale de l'oscillation (correspondant à l'intensité maximale).

Il est clair que pour une même amplitude, les accélérations transmises à l'électron seront d'autant plus importantes que la fréquence sera plus grande. L'accélération est en effet l'accroissement de vitesse dans l'unité de temps.

Nous avons précisé plus haut que la composante rayonnée devenait plus importante quand on augmentait l'accélération communiquée à l'électron. Il est donc certain que le rayonnement sera plus facile à mettre en évidence si l'on utilise des courants de haute fréquence.

Avec un courant de fréquence relativement faible, le rayonnement sera imperceptible au p'', parce que l'énergie du champ magnétique pourra, en quelque sorte, réintégrer le circuit. Si la fréquence est assez grande, l'énergie au point P' restera dans l'espace, c'est-à-dire apparaîtra sous forme rayonnée.

Il découle des raisonnements précédents que la fréquence du rayonnement est nécessairement égale à celle du courant qui lui a donné naissance.

Comme le rayonnement se propage dans l'espace, on peut lui faire correspondre la notion de longueur d'onde.

Nous avons vu en Physique ce qu'il fallait entendre par période, fréquence, longueur d'onde (Nous verrons ces notions dans l'intitulé "Électronique").

Nous y avons appris que la fréquence est le nombre de période par seconde et que ces deux grandeurs dont les symboles sont respectivement T et F sont reliées par les relations :

 

T = 1 / F

OU

F = 1 / T

 

Nous avons défini la fréquence comme étant le nombre de périodes par seconde. Il faut maintenant préciser que le mot période, s'il est didactique, n'est pas l'unité légale de la fréquence. Nous emploierons donc maintenant cette unité qui est le hertz (symbole H), nom du physicien allemand HERTZ (1857-1894). Les multiples sont le kilohertz (kHz), le mégahertz (MHz) et le gigahertz (GHz) qui valent respectivement 103 Hz, 106 Hz et 109 Hz.

Enfin, nous avons vu que la longueur d'onde est une distance. Plus précisément, c'est la distance que parcourt l'onde pendant une période (ou un hertz). Son symbole est (lettre «I» de l'alphabet grec qui se lit lambda).

La longueur d'onde , la fréquence F et la vitesse (v) des ondes électromagnétiques sont liées par les relations :

O12

Étant donné que la vitesse de propagation considérée est de 300 000 000 m / s, nous pouvons écrire en respectant les correspondances des unités :

O13 

Si, désirant toujours obtenir la longueur d'onde en mètre, nous avons la fréquence exprimée en kilohertz, c'est-à-dire par un nombre 1 000 fois plus petit, il nous faut également exprimer la vitesse par un nombre 1 000 fois plus petit, c'est-à-dire, dans ce cas, en kilomètre, soit :

O14

Enfin, si voulant toujours exprimer la longueur d'onde en mètre, nous avons comme unité de fréquence le mégahertz, donc un nombre 1 000 fois plus petit que le précédent, il nous faut encore diviser le nombre exprimant la vitesse par 1 000 et nous obtenons alors :

O15

La figure 12 montre le spectre des ondes électromagnétiques dont les fréquences varient de quelques dizaines de hertz à plus de 5.105 MHz.

O16

Nous pouvons y remarquer que les ondes correspondant à la lumière visible et qui se situent entre l'ultra-violet et l'infra-rouge occupent un espace relativement petit.

Nous attirons votre attention sur le fait que dans cette figure les graduations ne sont pas proportionnelles. C'est ainsi que les fréquences téléphoniques qui s'échelonnent de 300 Hz à 3 000 Hz occupent le même encombrement que les fréquences attribuées aux radars et satellites qui elles, se trouvent entre 10 MHz et 100 MHz. Si dans les deux cas le rapport entre les valeurs extrêmes varie de 1 à 10, les nombres exprimant les différences de fréquence entre ces deux valeurs extrêmes sont très éloignés l'un de l'autre.

Ainsi, pour les fréquences téléphoniques et les fréquences radar, nous avons bien :

3 000 / 300 = 100 / 10 = 10

Mais si la bande des fréquences téléphoniques est 3 000 - 300 = 2 700 Hz, elle est de 100 - 10 = 90 MHz pour la bande radar, bien que ces deux bandes occupent à peu près le même arc de cercle.

Ce type de représentation est nécessaire car il serait pratiquement impossible d'employer une échelle linéaire sur une feuille de papier de format classique. En effet, si dans notre exemple nous avions convenu de représenter 1 kHz par 1 cm, il nous aurait fallu représenter la bande téléphonique par 2,7 cm, ce qui est très faisable, et la bande radar par 90 000 cm soit 900 mètres, ce qui est beaucoup moins réalisable !

Nous terminons ainsi nos notions de physique qui, nous espérons, vous aiderons à mieux saisir les autres parties de notre ouvrage (ou leçons théoriques des autres programmes) et, pour le moins, à augmenter vos connaissances.

 



 

  




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