Spectre électromagnétique
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Le Spectre Electromagnétique
Le Spectre Electromagnétique Présentation
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1 David Malinvaud
Sr Project Manager
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24/03/2014
u Partie 1 : présentation du spectre électromagnétique u Electromagnétisme
Ø Définition Ø Onde électromagnétiques Ø Définition Ø Nature et propagation
Ø Rayonnement u Définition du spectre électromagnétique
Ø Présentation du spectre EM Ø Déclinaison des ondes électromagnétiques
Ø Cas des radiofréquences Ø Organisation du spectre (vue reduite)
u Pour aller un petit peu plus loin… u Questions
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u Electromagnétisme u Définition
Le rayonnement électromagné/que symbolise l'ensemble des radia/ons émises par une source (soleil, radar, téléphone portable,…)
u Ondes électromagnétiques
u Définition Une onde électromagné/que est composée d’un champ électrique et d’un champ magné/que oscillant tous deux à la même fréquence. C’est aussi l'ensemble des fréquences à laquelle peut osciller une onde électromagné/que. Ces deux champs sont perpendiculaires l’un par rapport à l’autre et se propagent selon une direc/on orthogonale dans un milieu; air, espace,…(Maxell-‐Lorentz). Les ondes électromagné/ques cons/tuent l’ensemble du spectre électromagné/que. Elles sont générées par le mouvement d’une charge électrique, tel un courant électrique (Maxell-‐Ampère). Elles véhiculent de l’énergie mais pas de ma/ère.
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Champ magnétique (B)
Direction Distance
Longueur d’onde
Champ électrique (E)
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u Nature et propagation La nature exacte d’une onde électromagné/que est en réalité la propaga/on, à la vitesse de la lumière, d'une déforma/on harmonique des propriétés électriques et magné/ques de l'espace (cf. Fig.1), consécu/ve à une excita/on. Un parallèle peut être fait avec l’onde que génère une gouOe qui tombe à la surface de l’eau (cf. Fig.2). A noter que le milieu dans lequel l’onde se propage reprend sa forme ini/ale après distorsion. Comme il est à noter que les ondes audio ne se propagent pas dans le vide.
Une onde électromagné/que est caractérisée par trois grandeurs (cf. Fig.3) :
La longueur d’onde ( λ ) : c’est la périodicité de l’oscilla/on de l’onde dans le temps ou l’espace. Elle est mesuré entre deux pics successifs, représentant la longueur du du cycle de l’onde dans l’espace. L’unité est le mètre (m), correspondant à la distance parcourue par la lumière en 1/3.108 s (1983, Conférence Générale des Poids et Mesures). La période ( T ) : c’est le temps que met l’onde pour réaliser un cycle. L’unité est la seconde (s). La fréquence ( v ) : c’est l’inverse de la période, elle symbolise le nombre de cycles par unité de temps. C'est le nombre d'oscilla/ons du champ électromagné/que par seconde; L’unité est le Hertz (Hz), sachant qu’un Hertz équivaut à une oscilla/on.
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Les équa/ons incontournables : On admet que l’onde se propage à la vitesse la lumière, soit c = 3.108m/s. V = 1 / T λ = c / v On constate ainsi que plus la longueur d’onde est faible, plus la fréquence est élevée.
u Rayonnement Le rayonnement électromagné/que symbolise l'ensemble des radia/ons émises par une source (soleil, radar, téléphone portable,…).
Période
Fig.3
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u Energie et photons
Les photons caractérisent les atomes d’une onde électromagné/que. Ils transportent des quantas, ou paquets, d’énergie (E). Chaque photon transporte ainsi une somme d'énergie propor/onnelle à la fréquence de l'onde électromagné/que considérée. L’unité est l’électron-‐volt (eV).
Les équa/ons incontournables :
On admet la constante de Planck, soit h = 6,625.10-‐34 J.s.
E est la charge d’énergie véhiculée par l’onde électromagné/que, exprimée en eV.
E = h x v E = h x c / λ
Les équa/ons montrent que l’énergie véhiculée est d'autant plus grande que la fréquence est élevée, et que la longueur d’onde est faible. Elles démontrent par ailleurs que l’énergie transportée par un photon est inversement propor/onnelle à sa longueur d’onde.
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u Définition du spectre électromagnétique u Présentation du spectre EM
Le spectre électromagné/que est cons/tué de l’ensemble des ondes électromagné/ques, principalement différenciées par leur longueur d’onde (m) et l’énergie qu’elles transportent (eV).
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Désigna/on Bande Longueur d’onde Origine
Tremendously Low Frequencies
0 Hz à 3 Hz 100.000 km à l’infini Ondes et bruits électromagné/ques
Extremely Low Frequencies 3 Hz à 30 Hz 10.000 km à 100.000 km
Ondes du cerveau humain
Super Low Frequencies 30 Hz à 300 hz
1.000 km à 10.000 km
Ondes électromagné/ques naturelles, ondes physiologiques humaines, radiocommunica/ons submari/mes militaires
Ultra Low Frequencies 300 Hz à 3 kHz
100 km à 1.000 km Ondes orages solaires, réseaux électriques
Very Low Frequencies 3 kHz à 30 kHz
10 km à 100 km Radionaviga/on, radiocommunica/ons submari/mes militaires, émeOeurs de signaux horaires
Low Frequencies 30 kHz à 300 kHz
1 k à 10 km Radiocommunica/ons mari/mes et submari/mes
Medium Frequencies 300 kHz à 3 MHz
100 m à 1 km Systèmes de naviga/on, radioamateurs, radiocommunica/ons mari/mes et aéronau/ques
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u Déclinaison des ondes électromagnétiques Les ondes électromagné/ques peuvent être classifiées en plusieurs gammes, différenciées
par leur longueur d’onde et l’énergie qu’elles véhiculent. Ces gammes correspondent à deux familles de rayonnements :
. Les rayonnements ionisants (RI) : ils sont nocifs pour l’homme s’ils ne sont pas maîtrisés, comme dans l’imagerie médicale par exemple, et mortels à haute dose ainsi que dans le cas d’une exposi/on prolongée. Ils génèrent une ionisa/on dans la ma/ère vivante.
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Designa/on Bande Longueur d’onde Emploi
High Frequencies 3 MHz à 30 MHz
10 m à 100 m Radiocommunica/ons militaires et d’ambassade, transmissions gouvernementales
Ultra High Frequencies 300 MHz à 3 GHz
10 cm à 1 m Transmissions militaires et aéronau/ques, liaisons satellites,, GSM, PCS/DCS, UMTS, Wifi, Bluetooth, liaisons gouvernementales
Super High Frequencies 3 GHz à 30 GHz
1 cm à 10 cm Systèmes radar, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, Wifi, fours à micro-‐ondes
Extremely High Frequencies 30 GHz à 300 GHz
1 mm à 1 cm Radioastronomie, expérimenta/ons et recherches scien/fiques, systèmes radar
Tremendously High Frenquencies
300 GHz à 300 106 THz
1 pm à 1 μm Spectre lumière visible par l’œil humain, Ultra-‐violets, rayons X, rayons Gamma
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. Les rayonnements non-‐ionisants (RNI) : ils ne provoquent aucune ionisa/on dans la ma/ère vivante même à forte dose.
Nous dis/nguerons ces gammes d’ondes électromagné/ques comme suit :
u Les rayons cosmiques (RI) Appelés aussi astropar/cules, ce sont des radia/ons parcourant l’univers, capables de traverser n’importe quel corps et d’interférer avec l’ADN humain (muta/on, destruc/on). Leur fréquence est supérieure à 1030 Hz, λ est supérieure à 10-‐7 μm ; E = 1020eV.
u Les rayons gamma (RI) Ces rayons résultent des radia/ons émises par des éléments radioac/fs. Ils sont hautement chargé d’énergie et traversent aisément la ma/ère. Ils sont dangereux pour les cellules vivantes. Intervalle λ de 10-‐7 μm à 10-‐5 μm ; E = 107eVmax.
u Les rayons X (RI) Ces rayons sont hautement énergé/ques qui peuvent traverser la ma/ère, en étant cependant moins nocifs que les rayons gamma. On les retrouve dans les domaines de la médecine (radiographies), et de la sécurité (contrôle des bagages dans le transport aérien). Intervalle λ de 10-‐5 μm à 10-‐2 μm ; E = 2,4.105eVmax.
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u Les Ultra-violets (RI) Connus pour être nocifs pour la peau, ces rayons sont énergé/ques mais sont stoppés en par/e par la couche d’ozone qui nous préserve de leur dangerosité. On leur doit la couleur brunâtre de notre peau après une exposi/on au soleil. Intervalle λ de 10-‐2 μm à 0,38 μm ; E = 3.103 eVmax.
u Le domaine visible (RNI) C’est une bande très étroite du spectre électromagné/que visible de l’œil humain. On y dis/ngue les couleurs de l’arc en ciel. Intervalle λ de 0,38 μm (violet) à 0,78 μm (rouge) ; E = 3,2 eVmax.
u L’infrarouge (RNI) C’est le rayonnement qu’émeOent tous les corps dont la température est supérieure à -‐273°K (dit zéro absolu). On y dis/ngue les couleurs de l’arc en ciel. Intervalle λ de 0,78 μm à 106 nm ; E = 1,6eVmax.
u Les ondes submillimétriques (RNI) Ces ondes sont aussi référencées sous le vocable Térahertz. Elles sont u/lisées dans le domaine de l’astronomie pour étudier les sources célestes du rayonnement associé. L’univers étant cons/tué avant tout de ma/ère froide, celui-‐ci n’émet pas de lumière visible, mais des ondes submillimétriques. Analyser ces ondes permet ainsi d’étudier tous les corps interstellaires, et de cartographier l’univers. Intervalle λ de 0,1 mm à 1 mm ; E = 0.00414 eVmax.
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u Les micro-ondes (RNI) Appelées aussi ondes radar ou hyperfréquences, c’est précisément dans ceOe famille que l’on retrouve les communica/ons de types Wifi, Bluetooth, DETC, ainsi que la télédétec/on et la télémétrie radar. Ces ondes appar/ennent à la gamme des radio-‐fréquences. Intervalle λ de 1mm à 1cm ; E = 10-‐ 3eVmax.
u Les ondes radio-électriques (RNI) Ces ondes appar/ennent à la gamme des radio-‐fréquences, et représentent la plus large bande du spectre électromagné/que (10kHz à 300 GHz). Elles peuvent être émises et reçues plutôt facilement, émeOeur et récepteur ne commandent pas
un niveau de technologie élevé. Intervalle λ > 1cm ; E = 10-‐5eVmax.
u Cas des radiofréquences Ces ondes représentent la plus large bande du spectre électromagné/que, et vont de 10kHz à 300GHz. Elles se confondent avec la bande des ondes radioélectriques. Les fréquences associées aux ondes radiofréquences sont réglementées. Globalement ces ondes sont suscep/bles d’être déviées ou aOénuées, selon le milieu dans lequel elles se propagent, ou selon la ma/ère qu’elles traversent.
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u Organisation du spectre (vue réduite)
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INFRARED AUDIO RADIO WAVES
A B C D E F G H I J K L M
MICROWAVES ULTRAVIOLET X-RAYS
VHF UHF SHF EHF
RADIO FREQUENCY BANDS
VHF UHF L S C X Ku K Ka millimeter
EW & RADAR BAND DESIGNATIONS VISIBLE LIGHT
λ
F
100m 10m 10cm 1cm 1mm
NATO BANDS
OLD BANDS
10Hz 20KHz 100MHz
1km 1m 1nm 1A°
100GHz 100THz 105THz
FREQUENCY (GHz)
0.03 0.25 0.5 1 2 3 4 6 8 10 20 40 60 100
0.78µm 0.6µm 0.5µm 0.4µm
1µm 1mm
Γ-R
AYS
RADIOELECTRICAL WAVES 10KHz 300GHz
30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz
HF
MF
LF
VLF
30km
1m 1km 10km 30km
RESPONSE OF THE EYE
Very Low Frequencies (VLF)
Low Frequencies (LF)
Medium Frequencies (MF)
High Frequencies (HF)
Very High Frequencies (VHF)
Ultra High Frequencies (UHF)
Super High Frenquencies (SHF)
Extremely High Frequencies (EHF)
300GHz
108THz
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u Pour aller un petit peu plus loin…
Pour les férus, et pour en savoir plus :
u Les équations de Maxwell Les équa/ons de Maxwell, ou de Maxwell-‐Lorentz du fait de faire intervenir la force électromagné/que (Fem) telle qu’elle est définie par Lorentz, gouvernent la propaga/on du champ électromagné/que sous forme d’ondes se déplaçant à la vitesse de la lumière c = 3.108 m/s dans le vide ; la vitesse de propaga/on dépendant du milieu parcouru (phénomène de réfrac/on). Elles sont au nombre de quatre :
§ Equa/on de Maxwell-‐Gauss ; traite des propriétés du champ électrique généré par des charges électriques.
§ Equa/on de Maxwell-‐Faraday ; traite des propriétés d’un champ magné/que induit par un champ électrique.
§ Maxwell-‐Ampère ; traite de la créa/on d'un champ magné/que soit par circula/on d'un champ électrique, soit par varia/on d'un champ électrique dans le même temps.
§ Maxwell-‐Flux magné/que ; évoque le fait qu'il n'y a pas de sources magné/ques comparables aux charges électriques dans le cas du champ électrique.
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u Questions?…
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