Si la science ne se trompe pas

l’homme est loin de connaitre les vérités et l’lectricité,

avec le sens des électrons c’est compliqué


 

 

Electricité, électromagnétisme et Cie

Brièvement, l’énergie d’un paquet de rayonnement appelé électromagnétique dépend de sa longueur d’onde.

 

La teneur en énergie d’un quantum de masse est aussi une fonction d’une constante (vague) de longueur.

La relation entre la distance, l’énergie, et la masse est une conséquence de la formation de masse et d’énergie.

Cette relation peut être vue ci-dessous dans l’équation qui décrit l’énergie du rayonnement électromagnétique:

 

Energie = h * c / λ = 1.9864456E+E43/λ

Energie = h * c / λ = 1.9864+E43/λ

Energie = h * f = 1.9864+E43/λ

f = c / λ où f est la fréquence de l’onde (en Hertz),

 la célérité de l’onde (en mètres par seconde) et

 lambda, la longueur d’onde (exprimée en mètres).

 

La suite dans les chapitres qui suivent….

Energies – Cette électricité qui nous concerne tous et concerne tout.

Les forces électriques et magnétiques (la force électromagnétique) représentent des forces extrêmement importante dans notre monde.

 

C’est grâce à elle que nous existons, puisque les interactions entre les particules qui nous composent sont essentiellement électro-magnétiques. Cette force est celle qui explique l’existence des atomes. Elle explique en effet que les électrons et les protons soient attirés et restent ensemble. Elle explique aussi la formation des molécules, et comment les molécules peuvent s’agréger, pour former nos cellules.Elle explique aussi comment les molécules d’eaux forment la pluie, et l’existence de la foudre.

Et pour nous facilité la vie, on l’a domptée, canalisée, régulée, pour utiliser des “conglométrats de molécules” qui forment le objets courants nécessitant de l’électricité pour fonctionner, et que nous utilisons chaque jour. Et en effet, on ne peut que constater que tous les “progrès” technologiques de notre civilisation sont dus à l’électricité. La lumière, internet, les communications, et la maitrise des ondes électromagnétiques sont devenues primordiales que ce soit pour les radars, la radio, la télévision, la téléphonie ou encore les micro-ondes.

 

INTRODUCTION

Electricité, définition

C’est le nom donné à une des formes de l’énergie, à un ensemble de phénomènes qui correspondent à des champs de forces lesquelles sont liées a des charges électriques de certains corpuscules constitutifs de la matière appelés électrons. Le mot électricité provient du grec “élecktron” qui signifie ambre. Le premier scientifique connu a s’être intéressé à ces phénomènes fut Thalès de Milet (-625 -545).

Dans ses parties les plus infimes, la matière est constituée d’atomes. Or, couper un atome en deux ou en trois reviendrait à fabriquer d’autres atomes différents. Nous savons que tous les corps sont formés d’assemblage d’atomes, lesquelles se comtent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière. A ce premier niveau d’expérimentateurs radio et en électricité, il suffit de se représenter l’atome comme constitué d’un noyau positif bien plus lourds que le certain nombre d’infimes granules appelées électrons et qui gravitant autour de ce noyau. Les électrons sont répartis autour du noyau en différentes couches. Les électrons disposés sur la couche la plus extérieure sont touours les plus intéressants car c’est grâce à eux que peut s’établir un courant électrique dans un matériau conducteur. A l’état d’équilibre, un atome est électriqment neutre, le nombre d’électrons d’un atome etant égal au nombre de ses protons qui constituent le noyau positif.. Il suffit qu’un électron supplémentaire s’ajoute à ceux d’un atome pour que la charge de celui-ci deviennent négative. Réciproquement, enlever un électron à un atome lui rendra sa charge positive. C’est ce qui se passe dans le cas de l’électrisation des corps.

 de la chimie des atomes à l’électricité, il n’y a meme pas un pas  

Toute électrisation apparait comme un transfert d’électrons. Une charge négative est un excès d’électrons.

Une charge positive est un “manque” d’électrons.

Encyclopédie, définition de l’électricité

Classe de phénomènes physiques résultant de l’existence de charges et de l’interaction entre ces charges. Quand une charge est stationnaire ou statique, elle produit des forces sur les objets dans la zone ou elle est présente, et quand elle est en mouvement, elle produit des effets magnétiques.

Concernant les effets électriques, les particules considérées sont soit neutres, soit positives, soit négatives. L’électricité est le phénomène dans lequel les particules chargées positivement (les protons), se repoussent mutuellement comme le font les particules chargées négativement (les électrons) 

Les particules négatives et positives cependant, s’attirent entre elles. Ce comportement peut être résumé comme suit: les charges semblables se repoussent, les charges opposées s’attirent

 

L’électrisation

Il y a trois manières connues de produire de l’électricité                           

Signe source  Signe conducteur

Par

S. source

S. conducteur

 

frottement

+

+

ex. verre, poil de chat, cheveux, ambre, laine, orages, foudre

contact

+

+

avec un autre corps chargé  

induction

+

+

lorsqu’on le place dans un champ électrisé

Quelques règles :

Ces phénomènes engendrent ainsi soit de l’électricité positive, soit de l’électricité négative.

Les charges de même signe se repoussent, les charges de signes contraire s’attirent.

Les forces électriques varient attractives ou répulsivent varient en raison inverse du carré de la distance qui les sépare.

TOUS les corps électrisés créent autour d’eux des CHAMPS succeptibles d’être représentés par des lignes de force (électrique et magnétique).

Toute charge, que l’on appelera aussi le Coulomb, l’électron, ou une masse électrisée – qu’elle soit  d’ailleurs électrisée ou non et en mouvement ou non – est soumise à la force gravitationnelle (voir chapitre terre et gravitation) 

 

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Toute charge électrique, qu’elle soit positive ou négative, induit un CHAMP ELECTRIQUE,

ainsi qu’un autre CHAMP qui lui est perpendiculaire, à savoir le CHAMP MAGNETIQUE.

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Une charge est appelée STATIQUE (indépendante du temps) ou PONCTUELLE (dépendante du temps ou en mouvement).

Un CHAMP ELECTRIQUE induit une FORCE D’INTERRACTION (en Newton) et ainsi, une ENERGIE (en Joule).

Une CHAMP MAGNETIQUE (en Tesla) induit une FORCE  MAGNETIQUE (en Newton).

L’énergie ou encore la force électromagnétique comme le champ électromagnétique – est la « somme » des valeurs d’interraction du champ électrique et du champ magnétique induits

 

L’électrostatique

C’est l’étude des phénomènes dus aux charges électriques AU REPOS, appelée encore la force de COULOMB. Voyons cela en tentant d’approcher la TRIBO_ELECTRICITE.

La triboélectricité (du grec tribein qui signifie frotter) désigne le phénomène électrostatique par lequel lorsque l’on met en contact deux matériaux de nature différente, une partie des électrons de la surface de contact d’un des deux matériaux est transféré à l’autre, et ce transfert subsiste lors de la séparation. L’effet triboélectrique peut alors être augmenté si l’on fournit de l’énergie mécanique, èar exmplele en frottant les matériaux l’un contre l’autre.

Un transfert de charge (d’électrons) survient lorsque deux matériaux différents viennent à se toucher, comme dans le cas du frottement de l’ambre sur des poils de chats, ou d’un peigne en en plastique sur nos cheveux. Les matières en début de liste acquièrent une charge positive, alors que celles en fin de liste acquièrent une charge négative.

La charge nette et la tension électrostatique résultante s’accroissent avec l’éloignement ou l’écartement des matières dans la liste.

La liste (ou série) triboélectrique est une liste ordonnée de matières qui permet de prévoir le signe des charges qu’elles auront lorsqu’on les frotte. Exemple: peau de lapin, verre, mica, laine, peau de chat, bois, aluminium, coton, ambre, ébonite, plexiglas, nylon 
Lorsqu’on frotte une matière A avec une matière B placée après elle dans la liste, A se charge positivement, B se charge négativement. En tête de liste on trouve les matières qui on plutôt tendance à perdre des électrons et en fin de liste les matières les plus “avides” d’électrons.

Par exemple, le verre frotté contre la laine, la peau de chat, le coton ou le nylon sera toujours positif. Par contre, frotté contre une patte de lapin ou uniquement à l’air, il deviendra négatif.

Origine des charges électrostatiques. Les modes d’électrisation les plus fréquents sont:
– le frottement (tribo-électricité)
– le contact avec un corps chargé
– la ionisation
– la balloélectricité ou l’agitation de particules dans un courant d’air ou encore la congélation, etc…

Note: dans chacun de ces modes, il y a mouvement dans l’espace, …

 

Règle de Cohen:

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre, celui à constante diélectrique plus élevée se charge positivement. En effet, dans ce cas, l’isolant se polarise plus facilement et cède des électrons à l’autre corps.

Equation de Beach:

Densité de charge superficielle C/m

 

ρs = 15 E-6 *(ε r1 −ε r2) où εr1, εr2 sont les permittivités relatives respectives des deux corps qui sont électrisés par frottement.

Liste ou série triboélectrique

Suivant ce classement, chaque corps acquiert une charge positive par
friction contre tout autre corps classé après lui. Ainsi, chaque corps classé après celui qui aura acquit une charge positive auquel il aura été frotté aura lui acquis une charge négative. Et plus il y a d’humidité dans l’air, moins il y besoin de charge pour aboutir à la décharge électrostatique …

tout matière plus haut dans la liste (A) frottée à une matière se trouvant plus bas dans la liste (B) acquiert une charge positive

de même, toute matière en bas de la liste (B) frottée à une matière se trouvant plus haut dans la liste (A) acquiert une charge négative

à tendance à perdre des électrons et se charger positivement

AIR
MAINS – PEAU
AMIANTE
FOURRURE DE LAPIN
VERRE
MICA
CHEVEU HUMAIN 

NYLON
LAINE
FOURRURE
Peau de CHAT
PLOMB
SOIE
ALUMINUM
PAPIER

Bois

COTON
ACIER
INOX
BOIS est plutôt NEUTRE
AMBRE
CIRE
SOUFRE
CAOUTCHOUC DUR, EBONITE
NICKEL,
CUIVRE, LAITON,
ARGENT, OR,
PLATINE
SOUFRE
POLYESTER CELLULOID
POLYSTYRENE
POLYURETHANE
PE, PP, PVC
SILICONE
TEFLON

à plutôt tendance à capter l’électron et se charger négativement

 

La décharge électrostatique

La DECHARGE ELECTROSTATIQUE apparaît lorsque le champ électrique maximum dû à la charge accumulée sur un corps isolant dépasse la valeur du champ disruptif dans le milieu considéré. Cet ARC ELECTRIQUE se crée par une ionisation de la matière dans laquelle le champ baigne, bien isolante jusqu’à ce que le champ induit dépasse le seuil critique, et lui permettant de conduire le courant.

 

 

vous retrouvez les images en bas de page ou dans la banque d’images

Le champ disruptif de l’air

L’air est un fort isolant. Mais sous de fortes tensions (c’est à dire entre deux points fortement chargés l’un de charges positives, l’autre de charges négatives) les électrons qui composent les atomes des molécules de l’air sont littéralement arrachés à leur orbite de valence pour participer à la conduction électrique: Et c’est ainsi que la FOUDRE traverse l’atmosphère.

La valeur du champ disruptif de l’air la plus communément admise est : – il faut une différence de potentiel de

– 3’600’000 volts pour faire une étincelle entre deux points écartés de 1 mètre

– 36 000 volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 centimètre,

– 3600 volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 millimètre.

Cette interprétation est facile à retenir, plus connue sous le nom de «REGLE DES 30’000 VOLTS PAR cm». Cette valeur est dépendante de l’humidité de l’air ou le la présence de conducteurs dans l’air. Pour un air saturé en humidité, cette valeur peut tomber à 10 000 V par cm.

Autres gaz diélectriques

Des gaz autres que l’air sont utilisés dans l’appareillage à haute tension afin de réduire son encombrement. L’hexafluorure de soufre est largement utilisé en haute tension car son champ disruptif est au moins deux fois supérieur à celui de l’air.

Quelques valeurs

Tableau de la permittivité relative de quelques isolants :

Materiaux – Permittivité relative εR
Vide 1 
Air 1.0005
Papier 2
Polyester 3,3
Hexafluorure de soufre (gaz) 4
PVC 5
Verre 5
Bakélite 6
Chlorure de sodium 6.12
Titanate de baryum à peu près 1500

 

Valeur min et max. Permittivité relative

 

Air 1 – 1 
Ambre 2.6 – 2.7 
Fibre d’amiante 3.1 – 4.8 
Bakélite 5 – 22 
Titanate de baryum 100 – 1250 
Cire d’abeille 2.4 – 2.8 
Batiste 4 – 4 
Tétrachlorure de carbone 2.17 – 2.17 
Celluloïde 4 – 4 
Acétate de cellulose 2.9 – 4.5 
Durite 4.7 – 5.1 
Ébonite 2.7 – 2.7 
Résine époxyde 3.4 – 3.7 
Alcool éthylique 6.5 – 25 
Fibre 5 – 5 
Formica 3.6 – 6 
Verre 3.8 – 14.5 
Pyrex de verre 4.6 – 5 
Gutta-percha 2.4 – 2.6 
Isolantite 6.1 – 6.1 
Kevlar 3.5 – 4.5 
Lucite 2.5 – 2.5 
Mica 4 – 9 
Micarta 3.2 – 5.5 
Mycalex 7.3 – 9.3 
Le néoprène 4 – 6.7 
Nylon 3.4 – 22.4 
Papier 1.5 – 3 
Paraffine 2 – 3 
Plexiglass 2.6 – 3.5 
Polycarbonate 2.9 – 3.2 
Polyéthylène 2.5 – 2.5 
Polyimide 3.4 – 3.5 
Polystyrène 2.4 – 3 
Porcelaine 5 – 6.5 
Quartz 5 – 5 
Le caoutchouc 2 – 4 
Mica rouge 5.4 – 5.4 
Sélénium 6 – 6 
Gomme laque 2.9 – 3.9 
Silicone 3.2 – 4.7 
Ardoise 7 – 7 
Sol sec 2.4 – 2.9 
Stéatite 5.2 – 6.3 
Mousse de styrol 1.03 – 1.03 
Teflon 2.1 – 2.1 
Bioxyde titanique 100 – 100 
VASELINE 2.16 – 2.16 
Vinylite 2.7 – 7.5 
L’eau distillée 34 – 78 
Cires, minerai 2.2 – 2.3 
Bois sec 1.4 – 2.9

 

Permittivité
En électromagnétisme, la permittivité ε d’un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou excitation électrique) D (en coulombs par mètre carré) et de l’intensité du champ électrique E (en volts par mètre).

La permittivité est exprimée en farads par mètre (F/m). Elle peut aussi être exprimée comme dans le présent tableau par une quantité adimensionnelle: la permittivité relative ou constante diélectrique, normalisée par rapport à la permittivité du vide = ε0 = 8,854187E-12F/m

 

Force d’attraction électriques, champ électrique et quantification de la charge, des FORCES et du champ électrique

Règles de principe:

Chaque particule chargée d’électrons (-) ou en défaut d’électron (+) témoigne d’une force. Deux particules qui se rencontrent sont en intérraction.

La charge totale se conserve pour tour processus se produisant au sein d’un système isolé électrique.

Force d’interraction: l’interraction électrostatique entre deux particules chargées est proportionnelle à leur charge et inversément au carré de leur distance, sa direction se trouvant le long de la droite joignant les deux charges.

Toute région dans laquelle une charge électrique subit une force est appelée CHAMP électrique. Le CHAMP électrique s’exprime en NEWTON/COULOMB = kilo-mètres/charge électrique (coulomb) = VOLT/METRE.

Le champ électrique résultant des charges présentes = somme des champs présents

 

Calcul de la force électrique entre deux particules

La loi de coulomb

 

Un calculateur de la loi de coulomb:

selon la loi F = k (q1 . q2)/r2

k est la constante k = 1/(4 π ε0) ≈ 9 x 109 N.m2/C2
q1 = charge corps A, en coulomb
q2 = charge corps B, en coulomb
r = distance entre les corps en mètres

Entrez les valeurs de q1, q2, r ou F dans les champs à disposition (3 valeurs à rentrer) :

q1  x 10  C (Coulomb)
q2  x 10  C (Coulomb)
r  meter
F  x 10  N (Newton)

 

FEUILLE DE CALCUL EXCEL à télécharger

calcul des forces d’interraction et des champs électriques entre une ou plusieurs charges.

 

Electricité

C’est le nom donné à une des formes de l’énergie, à un ensemble de phénomènes qui correspondent à des champs de forces lesquelles sont liées a des charges électriques de certains corpuscules constitutifs de la matière appelés électrons. 

 

Définition encyclopédie

Classe de phénomènes physiques résultant de l’existence de charges et de l’interaction entre ces charges. Quand une charge est stationnaire ou statique, elle produit des forces sur les objets dans la zone ou elle est présente, et quand elle est en mouvement, elle produit des effets magnétiques.
Concernant les effets électriques, les particules considérées sont soit neutres, soit positives, soit négatives. 
L’électricité est le phénomène dans lequel les particules chargées positivement, comme les protons, se repoussent mutuellement comme le font et les particules chargées négativement, à savoir les électrons. 
Les particules négatives et positives cependant, s’attirent entre elles. Ce comportement peut être résumé comme suit:

 

Les charges semblables se repoussent, les charges opposées s’attirent.

Les forces d’interraction électriques diminuent en fonction de l’inverse de carré de la distance qui les sépare

 

         
L ‘électrostatique

Une des manifestations courantes de l’électricité est la force répulsive ou attractive qui agit entre deux corps stationnaires. 
Electriquement, ils exercent la même force l’un sur l’autre. La charge électrique de chacun des corps peut être mesurée en coulomb, l’unité de charge électrostatique. Les forces s’exerçant entre les particules porteuses de charges ql et q2 sont calculées grâce à la loi de Coulomb. 
Celle—ci énonce que la force est proportionnelle au produit des charges des corps divisé par le carré de la distance qui les sépare. Une constante de proportionnalité k est introduite. On l’appelle constante diélectrique, elle dépend du milieu qui entoure les charges. Chaque particule chargée électriquement est entourée par un champ de force. Ce champ peut être représenté par des lignes de forces montrant la direction des forces électrostatiques à l’intérieur du champ.

Le fait de déplacer une particule chargée d’un point à un autre du champ nécessite un travail. La quantité d’énergie requise pour réaliser ce travail sur une particule portant une charge est connue sous le nom de différence de potentiel entre les deux points du champ. Cette différence est généralement mesurée en volts. 
La Terre, qui est un gigantesque conducteur, est utilisée comme niveau zéro de référence pour l’énergie potentielle. Ainsi, on dit que le potentiel d’un corps chargé positivement ou négativement dépasse d’un certain nombre de volts le potentiel de la terre.
La terre a un courant qui oscille entre 40 et 200 V/mOn donne une moyenne de 150 V/m. Juste avant ou duran un orage, on peut mesure jusqu’à -20’000 à + 20’000 V/m à l’aide d’un mesureur d’électricité statique.

 

Propriétés électriques des solides

Le premier phénomène électrique artificiel que l’on ait pu observer est la propriété que montrent certaines substances (comme l’ambre, un résineux) qui devient chargé négativement quand on le frotte sur un morceau de fourrure ou de laine, et lequel peut ensuite attirer de petits objets. Ces corps se retrouvent en fait en excès d’électrons. 

Une barre de verre frottée avec de la soie a le même pouvoir d’attraction sur les objets non chargés et attire plus encore les objets chargés négativement. Le verre a une charge positive, qui peut être décrite soit comme une déficience en électrons soit comme un excès de protons. 
Quand des atomes se combinent pour former des solides, un électron ou plus est libéré et peut alors se déplacer sans problème dans la matière. Les électrons se libèrent et se déplacent facilement dans certaines matières, que l’on appelle les conducteurs. Les métaux, en particulier le cuivre et l’argent, sont de bons conducteurs. 
Les matières dans lesquelles les électrons sont solidement liés aux atomes sont appelées les isolants, ou les diélectriques. Le verre, le caoutchouc et le bois sec sont des isolants.

Une troisième sorte de matière existe, celle des solides, où un nombre relativement petit d’électrons peuvent se libérer de leurs atomes en laissant derrière eux un “trou”, lequel représente l’absence une absence électron et se comporte comme s’il était chargé positivement. L’application d’un champ électrique provoque le déplacement dans la matière des électrons libérés et des trous chargés positivement, ce qui produit un courant électrique. Les solides ayant cette propriété sont appelés des semi—conducteurs, et ont généralement une plus grande résistance au courant électrique qu’un conducteur (de type n pour un courant électronique, ou de type p pour un courant protonique) comme le cuivre, mais une résistance moindre que celle des isolants comme le verre. 

L’électroscope est un outil de base permettant de démontrer la présence de charges électriques. Cet objet permet aussi d’indiquer si la charge est négative ou positive, et il détermine et mesure l’intensité de la charge. Il a été utilisé pour la première fois par le chimiste et physicien anglais Michael Faraday. L’électroscope est constitué de deux feuilles de métal fin suspendues à un support métallique dans un récipient de verre ou d’un autre isolant. Un pommeau collecte les charges électriques, celles—ci sont conduites le long du support métallique indifféremment jusqu’aux deux feuilles de métal. Les charges égales se repoussant entre elles, les feuilles s’écartent à une distance dépendant de la quantité de charges. 
On peut utiliser trois méthodes pour charger un objet d’électricité:

  • par contact et frottement  avec un autre objet fait d’une substance différente (comme dans le cas du contact entre l’ambre et la fourrure) suivi d’une séparation des deux objets;

  • par contact avec un autre corps chargé

  • par induction. (chimique, biologique,  photovoltaïque, …)

    Petit film témoignant de l’électrisation +/- :

Mesures électriques

Le courant dans un fil est la quantité de charges passant par un point donné du fil en un temps donné (généralement seconde, voire  en heure) Il est mesuré en ampères (du nom du physicien français André Marie Ampère), un ampère équivalant à un coulomb par seconde.

Quand une quantité de charge d’un coulomb passe à travers une différence de potentiel de 1V, le travail produit est égal à 1 Joule (du nom du physicien anglais James Prescott Joule) . Cette définition de l’énergie facilite la transition entre grandeurs mécaniques et grandeurs électriques. Un joule équivaut à 107 ergs.

L’électron volt (eV) est une unité d’énergie largement utilisée en physique atomique.

C’est la quantité d’énergie que gagne un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 V.

Il s’agit d’une petite unité et elle est fréquemment multipliée par un million ou un milliard.

 

Le courant électrique

Si deux corps de charges opposées et égales sont connectés par un conducteur métallique comme un fil électrique, les charges se neutralisent entre elles. Cette neutralisation est accomplie au moyen d’un flot d’électrons qui passe au travers du conducteur, du corps chargé négativement vers le corps chargé positivement. Cependant, par convention, dans certaines branches du génie électrique, le courant électrique est défini comme circulant dans la direction opposée, c’est—à—dire du positif vers le négatif. Dans tout système continu de conducteurs, les électrons se déplacent du point où le potentiel est le plus bas vers le point au potentiel le plus haut. Ce système est appelé courant électrique

Le courant circulant dans un circuit est décrit comme un courant continu s’il se déplace de manière continue dans un seul sens, et alternatif s’il se déplace alternativement dans les deux sens. 

Trois grandeurs interdépendantes régissent la circulation du courant continu.

La première est la différence de potentiel dans le circuit, que l’on appelle parfois la force électromotrice, ou encore le voltage.

La seconde force est le débit du courant. Cette quantité est généralement donnée en ampères.

La troisième quantité est la résistance du circuit. Dans des conditions ordinaires, toute substance, conductrice ou non, présente une certaine opposition au flux du courant électrique, et cette résistance limite forcément le courant. L’unité utilisée pour exprimer la quantité de résistance est l’ohm, que l’on définit comme étant la quantité de résistance qui fixe l’intensité du courant à un ampère, dans un circuit ayant une différence de potentiel de un volt. La relation entre courant, tension et résistance est donnée par la loi d’Ohm (du nom du physicien allemand Georg Simon Ohm). La loi d’Ohm peut être posée sous la forme de l’équation algébrique: U=I.R, “U” étant la force électromotrice en volts, “T” le courant en ampères et “R” la résistance en Ohms. D’après cette équation, chacune des quantités pour un circuit donné peut être calculée si l’on connaît les deux autres quantités. Il existe une autre formulation de la loi d’Ohm: I=U/R. 
Quand un courant électrique se déplace le long d’un fil, on peut observer deux effets importants: la température du fil augmente. Ainsi, à mesure que le courant passe, les électrons qui forment le courant entrent en collision avec les atomes du conducteur et relâchent de l’énergie, sous forme de chaleur. 
D’un autre côté, uun aimant ou une boussole que l’on passe prés du fil est dévié, tendant à pointer dans une direction perpendiculaire au fil (indique la présence d’un champ magnétique induit).

La quantité d’énergie dépensée dans un circuit est exprimée en joules, avec E=R*I*I*t

La puissance (P) est mesurée en watt, 1 watt étant égal à 1 J/sec. 

La puissance d’un circuit donné peut être calculée par l’équation P=U.I ou encore P=RI². La puissance peut être également transformée en un travail mécanique, une radiation électromagnétique comme la lumière ou les ondes radio, ou pour réaliser des décompositions chimiques.

 

L’électromagnétisme

Un mouvement d’aiguille de la boussole à côté du conducteur dans lequel passe un courant indique la présence d’un champ magnétique autour du conducteur. 

Quand les courants se déplacent dans deux conducteurs parallèles, les champs magnétiques des deux conducteurs s’attirent si le courant passe dans la même direction dans les deux conducteurs, et ils se repoussent si les courants passent dans des directions opposées. 

Le champ magnétique créé par une simple boucle ou un seul fil électrique est tel que si la boucle est suspendue près de la terre, elle se comportera comme un aimant ou comme une aiguille de boussole et se balancera jusqu’à ce que le fil de la boucle soit perpendiculaire à une ligne passant par le pôle nord et le pôle sud de la terre. 
Le champ magnétique entourant un conducteur peut être visualisé comme se propageant radicalement vers l’extérieur du conducteur de la même manière que les vagues créées dans l’eau quand on y jette une pierre. La direction des lignes de force dans le champ est l’inverse de celle des aiguilles d’une montre quand on l’observe dans la direction où se déplacent les électrons. Le champ est stationnaire autour du conducteur aussi longtemps que le courant passe régulièrement dans le conducteur.

  

ENCORE plus difficile à comprendre

Quand un conducteur se déplace et qu’il coupe les lignes de force d’un champ magnétique, les champs agissent sur les électrons libres du conducteur, les déplacent et causent une différence de potentiel et un courant électrique dans le conducteur. L’effet qui se produit est le même si le champ magnétique est stationnaire et le fil se déplace, ou si le fil est stationnaire et le champ se modifie. Quand un courant commence à passer dans un conducteur, un champ sort de ce conducteur. Ce champ coupe le conducteur lui—même et produit dans celui—ci un courant qui va dans la direction opposée au courant d’origine. Avec un conducteur comme un fil droit, cet effet est très léger, mais si le fil est enroulé, l’effet est augmenté car les champs de chacune des boucles formées coupe celui des boucles voisines et y crée un courant. Le résultat est que lorsque l’on branche ce bobinage de fil sur une source de différence de potentiel, il va faire obstacle au courant. De même, quand la source de courant est retirée, le champ magnétique “s’effondre”, et là encore, les lignes de force coupent les spires du bobinage. Le courant induit dans ces circonstances a la même direction que le courant d’origine, et le bobinage tend à perpétuer le débit. En raison de ces propriétés, un bobinage résiste à tout changement du débit du courant, et on dit qu’il possède une inertie électrique, ou inductance. Cette inertie a peu d’importance dans les circuits à courant continu, car elle n’apparaît pas quand le courant passe régulièrement, mais elle a une grande importance dans les circuits à courant alternatif.

 

La conductivité des liquides et des gaz

Quand un courant électrique se déplace dans un conducteur métallique, il va dans une seule direction, en considérant que le courant est entièrement porté par les électrons. Dans les liquides et les gaz, cependant, un flot allant dans les deux directions est possible grâce au procédé d’ionisation
Dans une solution liquide, les ions positifs se déplacent des points très chargés positivement vers les points les moins chargés positivement; les ions négatifs se déplacent dans la direction opposée. De même, dans les gaz, qui peuvent être ionisés par radioactivité, par les rayons ultraviolets du Soleil, par les ondes électromagnétiques ou par un champ électrique de fort potentiel, un courant bilatéral d’ions peut apparaître.

... 25/06/2008 Le câble supraconducteur le plus long et le plus puissant du monde vient d’être raccordé au réseau commercial de transport d’électricité de la ville d’Holbrook (New-York, Etats-Unis) par LIPA (Long Island Power Authority) et American Superconductor.  Ce câble d’une longueur de 600 mètres fonctionne grâce aux technologies cryogéniques développées par Air Liquide, leader mondial en cryogénie. Ce projet a pour but de faire la démonstration de l’exploitation d’un câble supraconducteur haute tension sur un réseau de transport d’électricité urbain. Capable de transporter jusqu’à 2400 ampères (soit une puissance de 574 millions de volts ampères sous une tension de 138 kV), ce câble est le premier câble supraconducteur de transport électrique haute tension dans le monde ainsi intégré à un réseau.

 

Les sources de force électromotrice

Afin de produire un courant dans n’importe quel circuit électrique, une source de force électromotrice est nécessaire

Les sources disponibles sont les suivantes: 

– les machines électrostatiques, qui fonctionnent sur le principe d’induction de charges par des moyens mécaniques; 
– les machines électromagnétiques, dans lesquelles le courant est créé par des mouvements mécanisés de conducteurs à travers un champ magnétique; les cellules voltaïques, qui produisent une force électromotrice par une action électrochimique
– les machines produisant une force électromotrice par l’action de la chaleur ou par celle de la lumière
– ou des machines qui produisent une force électromotrice au moyen de la pression physique, comme les cristaux piézo—électriques. 

 

Les courants alternatifs

Quand on déplace un conducteur de l’avant vers l’arrière dans un champ magnétique, le courant change de direction à chaque fois que le déplacement du conducteur change lui—même de direction. De nombreux appareils générateurs d’électricité fonctionnent sur ce principe, ce qui produit une forme de courant oscillante, que l’on appelle courant alternatif.

Le courant alternatif a différentes caractéristiques appréciables, et on l’utilise généralement comme source de courant électrique, aussi bien dans des installations industrielles que dans les foyers. La caractéristique la plus importante du courant alternatif est que le voltage du courant peut être changé et qu’on peut lui donner la valeur désirée par la simple utilisation d’un appareil électromagnétique que l’on appelle transformateur. 

Quand un courant alternatif passe dans une bobine de fil électrique, le champ magnétique créé oscille et change alternativement de polarité. Si un autre bobinage est placé dans le champ magnétique du premier enroulement de fil électrique, mais pas en connexion électrique directe, les mouvements du champ magnétique créent un courant alternatif dans le deuxième bobinage. Si celui—ci a un nombre de spires supérieur au premier, le voltage induit dans le deuxième rouleau est supérieur à celui présent dans le premier, car le champ agit sur un nombre supérieur de conducteurs individuels. A l’inverse, si le nombre de spires du second rouleau est plus petit, le voltage secondaire ou induit sera plus faible que le voltage d’origine. Ainsi, l’action d’un transformateur permet la transmission économique d’électricité sur de longues distances. 

Si 200.000 W passent dans une ligne de tension, ils peuvent aussi bien être produits par un potentiel de 200.000V et un courant de 1 ampère que par un potentiel de 2000 V et un courant de 100 ampères car la puissance est égale au produit du voltage par le courant.

 

Puissance perdue par l’émission de chaleur et puissance de chaleur émise.

P, puissance perdue en Watts = RI²

La puissance perdue par l’émission de chaleur de la ligne est égale au carré du produit du courant par la résistance. Ainsi, si la résistance de la ligne est de 10 ohms, la perte sur une ligne de 200.000 V sera de 10 W, alors que la perte sur une ligne de 2000 V sera de 100.000 W, soit la moitié de la puissance disponible.

Histoire de l’électricité

Il est possible que le philosophe grec Thalès de Milet ait eu connaissance du fait que l’ambre, quand on le frotte, attire des objets légers. Un autre philosophe grec, Théophraste, affirme dans un traité écrit autour de 300 av. J.-C. que d’autres substances sont dotées de cette faculté. Mais la première étude scientifique des phénomènes électriques et magnétiques n’est réalisée qu’en 1600, quand le physicien anglais William Gilbert publie ses travaux. Il est le premier à utiliser le terme “électrique” (du Grec elektron, “ambre”) pour désigner la force qu’exercent ces substances quand on les frotte contre des objets. Il distingue également l’action électrique de l’action magnétique. 
La première machine permettant de produire une charge électrique est décrite par le physicien allemand Otto Von Guericke en 1672. Elle est constituée d’une sphère de soufre qu’on fait tourner grâce à une manivelle et sur laquelle une charge est induite quand on pose la main dessus. Le scientifique français Charles François de Cisternay Du Fay (1698—1739) est le premier à mettre en évidence les deux types de charges électriques: positives et négatives. Le premier condensateur est mis au point en 1745, il s’agit du pot de Leyden. C’est une bouteille de verre comportant des couches d’étain séparées à l’intérieur et à l’extérieur. Si l’une de ces couches est chargée par une machine électrostatique, un choc violent peut être obtenu en reliant les deux couches d’étain électriquement. Benjamin Franklin a passé beaucoup de temps à faire des recherches sur l’électricité. Sa fameuse expérience du cerf—volant démontre que l’électricité atmosphérique produisant le phénomène des éclairs est la même que celle de la charge électrostatique du pot de Leyden. Franklin est l’auteur d’une théorie selon laquelle l’électricité est un seul et unique fluide, présent dans toute matière, ses effets pouvant être expliqués par des excès ou des manques de ce fluide. 

La loi selon laquelle la force qui s’exerce entre des charges électriques varie inversement au carré de la distance qui les sépare est démontrée en 1766 par une expérience du chimiste anglais Joseph Priestley. 
Celui—ci démontre également qu’ une charge électrique se distribue uniformément à la surface d’une sphère métallique vide, et qu’aucune charge ni aucun champ de force électrique ne peut exister à l’intérieur d’une telle sphère. 
Charles Augustin de Coulomb est l’inventeur d’une balance à torsion permettant de mesurer précisément les forces exercées par les charges électriques. Avec cet appareil, il confirme les observations de Priestley et démontre que la force qui s ‘ exerce entre deux charges est aussi égale au produit des charges. Faraday, à qui l’on doit de nombreuses contributions en matière d’électricité au début du XIXème siècle, est l’auteur de la théorie des lignes de force électriques. 
Les physiciens italiens Luigi Galvani et Alessandro Volta réalisent les premières expériences importantes sur le courant électrique. Galvani produit une contraction musculaire dans les pattes d’une grenouille en y appliquant un courant électrique. Volta annonce la fabrication de la première source électrochimique de différence de potentiel, une forme de batterie électrique (1800) En 1819, le Danois Hans Christian Oersted prouve qu’il existe un champ magnétique autour d’un courant électrique.

En 1831, Faraday démontre qu’un courant passant dans un bobinage de fil électrique peut produire un courant dans un bobinage se trouvant à proximité. Autour de 1840, James Prescott Joule et le scientifique allemand Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz découvrent que les circuits électriques obéissent aux lois de conservation de l’énergie et que l’électricité est une forme d’énergie. 

Le physicien et mathématicien anglais James Clerk Maxwell est l’auteur de contributions importantes à l’étude de l’électricité, avec ses recherches sur les propriétés des ondes électromagnétiques et de la lumière. Il élabore également la théorie selon laquelle ces deux phénomènes sont identiques. Ses travaux ouvrent la voie au physicien allemand HeinrichRudolf Hertz, qui produit et détecte des ondes électriques dans l’atmosphère dès 1886, et également à l’ingénieur italien Guglielmo Marconi, qui en 1896 exploite ces ondes pour réaliser le premier système de signaux radios. 
La théorie des électrons, qui est la base de la théorie électrique moderne, est proposée originellement par le physicien danois Hendrik Antoon Lorentz en 1892. La charge d’un électron est précisément mesurée pour la première fois en 1909 par le physicien américain Robert Andrews Millikan. L’utilisation courante de l’électricité comme source de puissance est largement due aux travaux de pionniers, ingénieurs et inventeurs, comme Thomas Alva Edison, Nikola Tesla et Charles Proteus Steinmetz. 

Voilà, après avoir abordé cette introduction historique et ce preface, plongeons nous dans la science des chiffres, des analyses, des calculs et des hypotheses.

 

Le champ électrique terrestre – recentrage des valeurs de base

Les trois problèmes fondamentaux de l’électricité atmosphérique sont :

la cause de l’ionisation de l’air, le maintien du courant vertical et le mécanisme de la foudre. Le premier, seul, semble résolu. Leur étude dans les régions polaires, où le magnétisme terrestre et l’insolation varient considérablement est particulièrement instructive

Le champ électrique a une moyenne de 50-100 V/m
La variation diurne semble plus apparente en hiver
Le champ est influencé par divers facteurs météorologiques tels que la neige, la pluie, le vent, non par la pression, la température et l’humidité, ni de l’activité aurorale.

Et la foudre dans tout cela

Le phénomène Foudre est le résultat d’une saturation de charges électrostatiques, pour les années à venir, le changement climatique générera une activité dangereuse électrique dans l’atmosphère et des impacts de foudre de grande intensité au sol. 

 

Chaque jour, dans le monde, quelques 40.000-50’000 orages ont lieu et un nombre avoisinant les 5.000.000 – 10’000’000 de chutes de foudre sont générées d’après le système de détection mondiale de météorologie. 

Presque toutes les décharges naturelles commencent dans les nuages et progressent sous forme d’arbre à plusieurs branches : les unes sont compensées par des charges négatives tandis que les autres par des charges positives. Lors de leur trajectoire, elles transportent des courants électriques pouvant atteindre les 20.000 Ampères en moyenne et des valeurs maximales dépassant les 200.000 Ampères pendant des millionièmes de seconde avec des potentiels qui ont été estimés en valeurs dépassant les 15 millions de volts et dégageant une énergie thermique supérieure à 8.000 degrés. 

Le changement climatique prévoit des orages intense avec une augmentation de l’activité de foudre. 

Depuis des années, des variations climatiques, avec des conséquences dévastatrices, se produisent.

L’être humain doit s’adapter. 
les inquiétudes de l’humain, en particulier, s’est centrée, depuis plusieurs années, à trouver des solutions pour se protéger de la foudre, pour cela, nous avons effectué des recherches dans les domaines de l’activité orage et de l’impact de foudre, son identité et son comportement, le résultat est une préconisation d’une augmentation de l’activité électrique dans l’atmosphère ( FOUDRE), causée par différents facteurs, 

1 la progression du réchauffement global qui active les nuages orageux,

2 l’augmentation de l’activité solaire qui charge électriquement la ionosphère et par conséquence l’atmosphère, 

3 les changements de direction des vents et des températures ainsi que des pressions atmosphériques qui transforment les grandes masses d’air chargées de vapeur d’eau. 

 

Pour en savoir un peu plus, on résume les effets directs et indirects de la foudre pendent et durant l’impact sur un objet, incluant une tige de paratonnerre. 

La foudre 

Benjamin Franklin, en 1747, a commencé ses expérimentations sur l’électricité. Il a avancé une théorie possible de la bouteille de Leyden, a défendu l’hypothèse que les orages sont un phénomène électrique et a proposé une méthode effective pour le démontrer. Sa théorie a été publiée à Londres et a été essayée en Angleterre et en France avant même qu’il ne réalisa lui-même sa fameuse expérience avec une comète en 1752. Il a présenté la théorie dénommée du fluide unique pour expliquer les deux types d’électricité, positive et négative. En reconnaissance à ses impressionnants succès scientifiques, Franklin a reçu des titres honorifiques des universités de Saint Andrews et Oxford. 

La foudre est une décharge électrique du champ naturel de l’ordre de 300.000 Volts entre l’ionosphère et la terre en temps stable; pendant les orages, les tensions électriques qui résultent découlent de la concentration et la génération de charges du phénomène thermodynamique qui a lieu pendant l’évolution du cumulo-nimbus. Dans ce dernier la génération et la séparation constante de charges polariseront le nuage en induisant à terre un champ électrique variable en toute probabilité, les valeurs électriques résultantes partant à 120V/m au niveau de la mer en temps stable et jusqu’à des valeurs critiques de 45.000 V/m. Pendant le processus actif critique de l’orage, ces valeurs modifient les propriétés de l’air limitrophe qui agit normalement comme un diélectrique. Les lignes du champ électrique ont un sens. Si ces lignes de champ sont saturées sur un point en particulier (paratonnerre pointe), le transfert concentré d’électrons excitera le diélectrique (air) en l’ionisant jusqu’à sa rupture (la foudre). C’est à ce moment-là que le potentiel électrique sera compensé jusqu’à sa prochaine génération ou compensation électrique.

  

 

source: http://www.onera.fr/dmph/electricite-atmospherique-foudroiement/foudroiement.php

 

Eclair artificiellement déclenché

Déclenchement artificiel d’un éclair à l’aide d’une petite fusée qui déroule derrière elle un fil métallique relié au sol. A chaque seconde, de 50 à 100 décharges orageuses se développent dans l’atmosphère terrestre. La majeure partie de cette activité électrique prend la forme d’éclairs “intra-nuages” qui se propagent à l’intérieur du cumulo-nimbus, généralement entre 5 et 10 km  d’altitude

 

L’électricité terrestre

On connaît trois systèmes électriques générés sur Terre et dans l’atmosphère. Le premier est dans l’atmosphère; le deuxième est contenu dans la Terre et est parallèle à la surface de la Terre; le troisième est vertical et transfère continuellement une charge électrique entre l’atmosphère et la Terre. L’électricité atmosphérique résulte d’une ionisation de l’atmosphère par les radiations solaires et du mouvement de nuages d’ions portés par des marées atmosphériques. Les marées atmosphériques résultent de l’attraction gravitationnelle du Soleil et de la Lune sur l’atmosphère de la Terre. 

L’ionisation (et donc la conductivité électrique) de l’atmosphère à la surface de la Terre est faible, mais augmente très vite avec l’altitude. A une distance de 40 à 400km au—dessus de la Terre, l’ionosphère forme une coque sphérique conductriceCette coque renvoie les signaux radio vers la Terre et absorbe les radiations électromagnétiques venant de l’espace. L’ionisation varie également selon l’heure du jour et de la nuit et la latitude. Sur Terre, les courants constituent un système de huit boucles de courants électriques des deux côtés de l’équateur, et de petites boucles électriques près des pôles. Même si l’on sait que ce système est dû aux changements quotidiens de l’électricité atmosphérique, ses origines sont beaucoup plus complexes. Le noyau de la Terre est composé de fer et de nickel en fusion. Il peut conduire l’électricité comme le ferait un générateur électrique. Sous l’effet des courants de convection thermiques du noyau, le métal en fusion décrit des boucles en relation avec le champ magnétique de la Terre. Le système de courants présents à la surface de la Terre reflète donc les courants de convection du noyau.

La surface de la Terre a une charge électrique négative. Bien que la conductivité de l’air près de la Terre soit presque nulle, l’air n’est pas un isolant parfait. Toutes les mesures effectuées par temps clair révèlent un courant électrique positif qui se déplace de l’atmosphère vers la Terre. C’est la charge négative de la Terre qui attire les ions positifs de l’atmosphère. On pense que la charge négative est transférée vers la Terre pendant les orages et que, par temps clair, le courant positif descendant de l’atmosphère est équilibré par un retour de courant positif provenant de régions de la Terre qui subissent un orage. Une charge négative arrive sur Terre grâce aux nuages. Le rythme auquel les orages produisent de 1 ‘énergie électrique est suffisant pour renouveler la charge de la surface de la Terre. De plus, il semble que la fréquence des orages soit plus importante le jour, lorsque la charge négative de la Terre augmente le plus.

Joules, Watts, Volts, Coulombs, Ampères, Ohms

DES CHIFFRES et des lettres INCROYABLEMENT PLUS COMPLEXES que prévu

La charge électrique

 

Une charge électrique est une grandeur que l’on peut quantifier d’après l’intensité des forces électriques qu’elle subit dans un environnement donné.

 

Le coulomb (symbole : C) est l’unité de charge électrique dans le système international (SI).

C’est la quantité d’électricité traversant une section d’un conducteur parcouru par un d’intensité de 1 ampère pendant 1 seconde

(1 C = 1  s· A)

Elle est équivalente à 6,241 509 629 152 65 1E18 charges élémentaires.

{Q) = C (Coulombs)

Q = n * e
e = charge élementaire = 1.602 E-19  Coulomb
n = nombe d’électrons

 

il faut donc 
6.24 E-18 électrons pour former une charge de 1 coulomb

 

Toute électrisation est un transfert d’électron.

 

Charge élémentaire

La charge élémentaire |e| vaut |e| ≈ 1,602 ×10-19 C.                               

La charge de l’électron vaut -|e|, celle du proton +|e|.

Elle a remplacé l’unité franklin (notée Fr), du nom du physicien Benjamin Franklin.

1 Fr = 0,8576 E-9 Coulomb. (! 1 franc n’est pas égal à 1 couiilon).

 

On utilise aussi, en électrochimie, le faraday (noté F), du nom du physicien britannique Michael Faraday. C’est le produit de la charge élémentaire par le nombre d’Avogadro. (Le nombre d’Avogadro (du physicien Amedeo Avogadro), ou constante d’Avogadro, est le nombre d’entités dans une mole. Il correspond au nombre d’atomes de carbone dans 12 grammes de l’isotope 12 du carbone. De par sa définition, la constante d’Avogadro possède une dimension, l’inverse d’une quantité de matière, et une unité d’expression dans le système international : la mole à la puissance moins un, et vaut 6.02214 E23 mol-1

 

1 faraday vaut 96 485 C et représente la charge associée à une mole d’électrons (en valeur absolue). (! Le farad est une autre unité SI, servant à mesurer la capacité électrique).

 

En technologie, on utilise également une unité plus grande, l’ ampère-heure (Ah)

1 Ah = 3 600 C

Ampère – L’intensité ou tension de courant.

(le volume du fleuve électrique)

 

Un ampère est l’intensité d’un courant constant qui, s’il est maintenu dans deux conducteurs linéaires et parallèles, de longueurs infinies, de sections négligeables, et distants d’un mètre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs, une force égale à 2 E-7 newton par mètre linéaire. 

Alors que l’on mesure le courant en UN point (ou une section), la tension est une difference qui se mesure entre DEUX pôles. 

Depuis que le système international définit et maintient la tension exprimée en volts et la résistance en ohms avec les effets quantiques de Josephson (constantes de Josephson) (CIPM) (1988). Recommandation 1, PV 56 ; 19), KJ x 4,835 979×10+14 Hz⁄ V et de von Klitzing, basée sur l’effet Hall quantique (CIPM (1988), Recommandation 2, PV 56 ; 20), RK ≡ 2,581 280 7×10+4 Ω)

 

Il désigne le flux – la quantité de la charge  passant dans une section donnée par unite de temps   Il est possible de combiner ces valeurs afin de définir l’ampère comme étant un courant électrique constant d’exactement 6 241 509 629 152 650 000 charges élémentaires par seconde.

 

1 A = 1 C/s

 

1 ampère = coulomb par seconde

il faut donc 6.24 E18 électrons circulant en 1 seconde pour former une  intensité 1 ampère

 

Cette dernière valeur n’est certes que l’inverse de 1,602×10-19 C, la valeur donnée à la charge élémentaire. De fait, il n’existe pas encore de démonstration convaincante d’un effet quantique qui permettrait de définir le courant. Par conséquent, le triangle métrologique (« volt – ohm – ampère ») n’est pas bouclé

_____________________________________________________________ 

Le courant ou l’intensité de courant électrique est désigné par

 

{I}= A (Ampères) 

L’ampère désigne le flux =

 

quantité de la charge passant dans une section donnée par unité de temps

 

_____________________________________________________________

 

 

1 ampère = 1 coulomb par seconde 1 A = 1 C/s      

 

 il faut donc 6.24 E18 électrons en 1 seconde pour former une  intensité 1 ampère

 

_____________________________________________________________

 

 

I = U/R    (Ampère = 1 volt/ 1 ohm)
ou aussi 1 A/m = 1 (U/m)/ 1 R

 

 

La tension en VOLTS

(le flux avant et après le robinet)

 

Alors que l’on mesure l’intensité du courant en 1 point (ou une section), la tension est une difference qui se mesure entre 2 pôles

VOLT =  

Tension ou valeur de travail de la force électrique déplacant une charge de 1 coulomb entre deux points. Travail de la force par unite de charge

 

Les volts sont ainsi aussi des = Joule/Coulomb ou des Watts/Ampères = 
Newton metre/Ampere seconde = Volt = kg m2/amperes3 = kg m2 /Coulomb x s2

1 Volt  = 1 J/C (Joule /coulomb)

Note: 

Montage en série: addition des tensions

Montage en parralée: tensions aux bornes identiques

 

UN volt correspond à la valeur du travail du déplacement  de 6.24 x 1018  électrons.  Un volt par metre, c’est donc 6.24 x 1018  électrons dans un metre d’un corps sans résistance ni conductance (=1 ohm)

 

 

Les Ampères correspondent à l’intensité ou le flux de cette masse d’électrons.

 

La QUANTITE d’électricité s’exprime en Ampère par unite de temps (heure ou sec.) 
ou en Coulomb      UN Coulomb = UN Ampère/sec

 

           Quantité (volt)* débit (ampère) = Puissance (force), … comme pour un fleuve

 

Aussi, toujours sans résistance considérée, la puissance du tout peut aussi  s’exprimer en  

Puissance en Watt électrique = Volt * Ampère

 

La résistance

La résistance est donné par la relation suivante :
R (en ohm) = (rhô * l)/ S     
Avec rhô = la résistivité en ohm.m, S la section en mètres et l la longueur en mètres.

 

Application: la résistance d’un fil de cuivre de 100 mm2 de section et de 100 km de longueur avec rhô = 1,7 x 10-8 ohm.m pour le cuivre d’où R = 17 ohm. 340 Volts circuleraient aisni dans ce fil et donneraient une TENSION de 340/17 = 20 Ampères, et une PUISSANCE de 20×340 = 6800 W ou Joules/secondes.

 

Ainsi, pour une grosse rondelle de cuivre de 1 m de long et de 1 m de section lequel a lui également une résistance de  1.7 x 10-8 ohm (et qui pèsera la meme chose que le fil de 100 mm2 et de 100 km, je vous laisse calculer la tension en situation de courant.

 

Loi d’Ohm

U = R I          (V) = (Ohm) x (Ampère)

                     mV = Ω x mA   ou  V = kOhm x mA
                  
I = U/R           1 A = 1 V / 1 Ω

 

Loi d’Ohm généralisée

∑E = ∑E’ +∑RI

(volt)=(volt’)+(ohm x ampère)

 

Montage en série 

Le courant est le meme entre les bornes            Io = I1 = I2 = I3

Le ‘intensité est le meme entre les bornes         

U = ( R1 + R2 + R3 ) I = Réqu

Montage en  parralèle             

Io = I1 + I2 + I3          
Uo = U1 = U2 = U3

 

1/ R équ = ∑ 1/Ri = 
Réqu = R1*R2/(R1+R2) 

 

Loi des noeuds 

La somme des courants qui arrivent = la somme des courants qui partent

 

I = I x R2 / R1 + R2
ou    U1 = U x R1 / R1 + R2

 

Les conducteurs et les isolants électriques

 

Pour une surface de 1 m et une longueur de 1 m  comme pour un fil de 100 km de long et de 100 mm2 de surface (et cela pèse tant que l’on peut avoir une relation de poids, reste la perte à considérer)                   

Conducteurs

 

Cuivre, Argent:                    0.000000017 ohms,               1,7 E-08
Aluminium,                          0.000000027 ohms                2.7 E-08
Fer                                      0.00000014 ohms                     1.4 E-07
Carbone                               0.0000035   ohms                   3.5 E-06

 

Plutôt conducteurs qu’isolants

 

Corps humain humide         300  ohms                              3 .0E+02
Corps humaine moyen        600 ohms                               6.0 E+02
Corps humain moy.          1600  ohms                                1.6 E+03
corps bottes caoutch.     15000 ohms                                1.5 E+04

 

Sol  entre 10 et 10000 ohms selon type                            1E+01 à 1E+04
10-60 pour humus, 100-300 pour végétale, 1000 sable, 100000 granit

 

Isolants

 

Eau distillée                                                                            1 E+09
Verre                                                                                       1 E+18
Air                                              variable                                1E+12à 5E19 
Poystyrene  100000000000000000000                             1 E+21

 

A inverse de la resistance des isolants, c’est est la CONDUCTANCE

ou capacité de conduire, …

 

Créer 100 Ampères avec du 9 Volts ! Oui, faisable.

 

Créer un courant de 100A avec une pile 9V, rien de plus facile en theorie….

La loi d’ohm nous dit qu’il suffit de prendre un conducteur d’une résistance de 0,09 ohms. 
Si on  prends une alors pile 9V d’une capacité de 1,2Ah. Elle pourrait faire circuler un courant de 100A pendant… 43 secondes.  

Faire un arc électrique de 10 mm nécessite une grosse tension, indépendament du nombre d’ampères qui passent dans l’arc. Environ 30000 Volts par centimère. 

Ainsi pour créer un arc, Il faudrait encore quelque chose comme un onduleur, un appareil qui produit un courant l’alternatif à partir du continu et placer un transformateur dans les proportions des tensions de départ (9V) et d’arrivée (5000V). Sans oublier que cet appareil doit être lui aussi alimenté pour fonctionner.

EFFETS DU COURANT électrique SUR LES PERSONNES

L’intensité du choc électrique dépend de l’intensité du courant (Les AMPERES) qui traverse le corps de la personne, lequel se comporte comme une résistance électrique.

Le courant électrique traversant le corps humain, conducteur de l’électricité, provoque une contraction involontaire des muscles situés sur son trajet: on dit qu’il y a ” électrisation “ou ” choc électrique “

 

LA RESISTANCE DU CORPS HUMAIN varie

La résistance du corps humain est l’association de la résistance interne (évaluée à environ 600 ohms) et la résistance de peau ou cutanée qui peut varier en fonction de nombreux facteurs.

Deux facteurs sont très importants et contribuent à faire chuter de façon significative la résistance globale du corps. Il s’agit de la tension de contact et des conditions d’humidité, lesquelles provoquent des variations de dizaines de milliers d’ohms à 1000 ohms

 

Effets direct du courant sur le corps humain sous une tension de 220 V.

Intensité             Effets

0.5 mA                Aucune sensation (ne veux pas dire aucun effet) 

1 mA                   Seuil de perception  
1 à 3 mA             Sensation sans douleur
3 à 10 mA           Sensation douloureuse
10 mA                 Seuil de la perte de contrôle musculaire
30 mA                 Seuil de paralysie respiratoire
70 mA                 Seuil de fibrillation cardiaque
250 mA               Fibrillation cardiaque dans 99,5% des cas
4 à 5 A                Paralysie cardiaque, arrêt du cœur, peut être réversible
Plus de 5 A         Brûlures des tissus

 

NOTE : Le chapitre sur les Rayonnement des ondes électromagnétiques reprendra en detail cette question des risques et des effets.

 

L’énergie (W) et la puissance électrique

Watt: puissance ou flux électrique

 

P = U I

 

1 Watt  = 1Volt x 1Ampere = 1 Joule /seconde

 

Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la puissance. Un watt est la puissance d’un système énergétique dans lequel est transférée uniformément une énergie de 1 joule pendant 1 seconde [1]. C’est également l’unité de flux énergétique et de flux thermique.  Un watt est égal à un joule par seconde, ou un newton mètre par seconde ou encore un kilogramme mètre carré par seconde au cube :

 

Le Watt en électricité  

En électricité, le watt est l’unité de puissance d’un système débitant une intensité de 1 ampère sous une tension de 1 volt. C’est le produit de la tension par l’intensité :

 

 

P(t) : puissance en fonction de t (watt).
U(t) : tension électrique en fonction de t (volt).
I(t) : courant électrique en fonction de t (ampère).

Il peut s’agir d’une puissance moyenne, efficace ou instantanée, selon la nature des courants et des tensions (continu ou alternatif) et de leur variation en fonction du temps.
En intégrant cette puissance sur un temps de 1 heure, on obtient une quantité d’ énergie dont l’unité pratique courante est le kilowatt-heure équivalent à 3 600 000  joules.
Le mégawatt (MW) soit un million de watts : est une unité fréquemment utilisée en production électrique, une tranche de centrale nucléaire française (qui en comprend en général quatre) délivre généralement une puissance de 1 300 MW électriques.

 

Le gigawatt (GW) correspond, lui, à un milliard (1E9) de watts.
Le térawatt (TW) soit mille milliards (1E12) de watts, est utilisé pour des évaluations globales de puissances.

 

En régime alternatif, le Watt est l’unité de puissance active d’un système. 

 

Le watt en mécanique 

En mécanique le watt est la puissance développée par une force de 1 newton se déplaçant sur une distance de 1 mètre pendant 1 seconde. Si le point d’application d’une force de 1 newton se déplace à la vitesse de 1 m/s la puissance vaut 1 watt :

 

 

F : force (en newton).
d : distance (en mètre).
t : temps (seconde).
v : vitesse (m/s).
W : travail (joule).

 

 

 P thermique = Pélectrique

 

 P therm = Pél = U I

 

P = RI2
∆Etherm= ∆t RI2   =  ∆t U2/R

 

 

Le JOULE

Travail, énergie, ou chaleur produite durant un temps 

Effet Joule Permet de calculer la chaleur produite durant un intervalle de temps donné.

 

Autres définition usuelles

loi de Joule

 

1 Joule = 1 ohm x 1 ampere2  x 1 secondes = 1 W*seconde

 

Le concept d’énergie étant utilisée dans de nombreux domaines scientifiques, un certain nombre de définitions pratiques du joule sont possibles. Par exemple, un joule est le travail fourni par un circuit électrique pour faire circuler un courant de un ampère à travers une résistance de un ohm pendant une seconde :

 

 

Un joule est aussi l’énergie fournie par une puissance de 1 watt pendant une seconde.

D’autres unités d’énergie sont exprimables en joules :

 

  • la calorie : 1 calorie = 4,1855 joules ;

  • la thermie qui vaut 1 million de calories, soit 4,1855 millions de joules ;

  • le kWh qui est l’énergie fournie par une puissance de un kilowatt pendant une heure soit 3 600 000 J.

Un joule est approximativement égal à :      6,24150636309E18 eV (electronvolts)

 

Effet Joule

permet de calculer la chaleur produite durant un intervalle de temps donné.

 

P therm = Pél = U I
P = RI2  = U2/R   
∆Etherm= ∆t RI2   =  ∆t U2/R

  

Autres valeurs

 

MAXENCE  (- énergie recue – )

 

Puissance surfacique = densité du flux thermique = éclairement énergétique = intensité énergétique = exitance énergétique

Mx, ou W/m2 = V/m x A/m = Volt x Ampère / m2

 

 

Gy (grays)

DOSE de rayonnement absorbée
(ionisant ou non). L’équivalent de dose s’exprime en Sv (Sievert)

1 Gray = 1 Sv = 1 J/kg = 100 rems (rads)

 

Note: J/kg = chaleur de transformation massique = énergie massique interne, donc équivalenet de dose absorbée.

 

 

Débit de dose absorbée en Watt/kg

1 W/kg = 100 Gy/s

1 rem/s, ou 0.01 Sv/s = 0.01 W/kg

 

 

Exposition au rayonnemment
1 Rotgen = 1 coulomb/kg =  (A/s)/kg =  V / ( R s kg )
1 coulomb = 1 Joule/Volt ou 1 Amp/s = 1 Volt / ohm  x sec.

 

 

Energie du rayonnement ou intensité de rayonnement    
En ampere/heure ou en coulomb

 

 

1 ampère/ heure = 3600 coulomb
3.6 kC = 1 ampère-heure = 0.0002777 ampères/s durant 1 h.

 

 

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Entrer les valeurs des modifications de la force Fe, des charges q1 et q2 et de la distance d qui les sépare; ensuite appuyer sur loi de Coulomb



      q1
x
q2
Fe =
        2
d2
 
 


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Electromagnétisme

 

Magnétisme et électromagnétisme

(Reference: OMS)

Les champs électriques sont produits par difference de potentials entre deuy points: plus le voltage est élevé, plus le champ qui en résulte est intense. Ils surviennent même si le courant ne passe pas. Au contraire les champs magnétiques apparaissent lorsque le courant circule: ils sont d'autant plus intenses que le courant est élevé. Ainsi, lorsqu'on a un courant électrique, l'intensité du champ magnétique variera selon la consommation d'électricité, alors que l'intensité du champ électrique restera constante. (Extrait de Les champs électromagnétiques, publié par le Bureau Régional de l'Europe de l'OMS en 1999 (Série Collectivités locale, environnement et santé; 32).

Les champs électromagnétiques d'origine naturelle

Les champs électromagnétiques sont partout présents dans notre environnement. Ainsi, l'appartion en certains points de l'atmosphère de charges électriques sous l'influence d'orages donne naissance à un champ électrique. L'orientation de l'aiguille aimantée d'une boussole dans la direction nord-sud est due au champ magnétique terrestre qui est également utilisé comme aide à la navigation par les oiseaux et les poissons.

Les champs électromagnétiques créés par l'activité humaine

A côté des sources naturelles qui composent le spectre électromagnétique, existent d'autres champs qui résultent de l'activité humaine : ces champs sont par exemple à l'origine des rayons X que l'on utilise notamment pour mettre en évidence les fractures dues à des accidents de sport. Au niveau de toute prise de courant existe un champ électromagnétique de basse fréquence engendré par le courant électrique. Nous utilisons également toutes sortes de rayonnements dans le domaine des radiofréquences élevées pour la transmission d'informations, au moyen d'antennes de télévision et de radio ou encore pour la liaison avec les téléphones portables.

Caractéristiques

Pour caractériser un champ électromagnétique , on utilise notamment sa fréquence ou encore la longueur d'onde du rayonnement qui lui est associé.

La nature des interactions entre un champ électromagnétique et l'organisme dépend de la fréquence de ce champ. On peut se représenter le rayonnement électromagnétique comme une série d'ondes très régulières qui progressent à une vitesse extrêmement élevée et plus précisément à la vitesse de la lumière. La fréquence traduit simplement le nombre d'oscillations ou de cycles par seconde, tandis que la longueur d'onde est égale à la distance entre un point d'une onde et son homologue sur l'onde suivante.

Fréquence et longueur d'onde sont donc totalement indissociables: plus la fréquence est élevée plus la longueur d'onde est courte.

 

Rayonnement ionisant ou rayonnement non ionisant ? 

La longueur d'onde et la fréquence déterminent une autre caractéristique importante des champs électromagnétiques , à savoir que les ondes électromagnétiques sont transportées par des " particules" ( ou "grains d'énergie" ) appelées quanta. Les quanta associés aux ondes de haute fréquence ( ou de courte longueur d'onde ) véhiculent davantage d'énergie que ceux qui sont associés aux ondes de basse fréquence ( ou de grande longueur d'onde). Pour certains rayonnements électromagnétiques, le quantum d'énergie est tellement élevé que ces ondes sont capables de briser les liaisons intra- et intermoléculaires.

Parmi les rayonnements qui composent le spectre électromagnétique, les rayons gamma émis par les substances radioactives , les rayons cosmiques et les rayons X possèdent cette propriété et sont appelés " rayonnements ionisants".

Les rayonnements qui ne sont pas suffisamment énergétiques pour rompre les liaisons intramoléculaires sont dits " non ionisants". Les champs électromagnétiques d' origine humaine qui résultent, pour une part importante, de l'activité industrielle (électricité, hyperfréquences et radiofréquences ) engendrent des rayonnements qui correspondent à la région du spectre électromagnétique où la fréquence est relativement basse , c'est-à-dire du côté des grandes longueurs d'onde et les quanta d'énergie qu'ils transportent sont incapables de provoquer la rupture des liaisons chimiques.

 

Les champs électromagnétiques de basse fréquence

Les champs électriques sont associés à la présence de charges positives ou négatives. Ils se manifestent d'ailleurs par la force qu'ils exercent sur les autres charges.  L'intensité d'un champ électrique se mesure en volts par mètre ( V/m).

C'est à proximité immédiate d'une charge électrique ou d'un conducteur sous tension que le champ électrique est le plus élevé et son intensité diminue rapidement avec la distance.

Les conducteurs métalliques constituent un blindage efficace contre les champs électriques. Les matériaux de construction, les arbres , etc. confèrent également une certaine protection. Autrement dit, le champ électrique créé par les lignes de transport d'électricité situées à l'extérieur est réduit par la présence de murs, de bâtiments ou d'arbres. Lorsque ces lignes sont enterrées, le champ électrique en surface est à peine décelable.

Les champs magnétiques sont provoqués par le déplacement de charges électriques. 
L'intensité d'un champ magnétique se mesure en ampères par mètre (A/m), toutefois dans la recherche et les applications techniques il est plus courant d'utiliser une autre grandeur liée à celle-ci, la densité de flux magnétique, qui s'exprime en teslas ou plus communément en microteslas ( μT).  Contrairement au champ électrique, le champ magnétique n'apparaît que lorsqu'un appareil électrique est allumé et que le courant passe. Plus l'intensité du courant est forte, plus le champ magnétique est élevé. 
Comme dans le cas du champ électrique, le champ magnétique est d'autant plus intense qu'on est proche de la source et il diminue rapidement lorsque la distance augmente. Les matériaux courants tels que les matériaux de construction ne constituent pas un blindage efficace contre les champs magnétiques.

Le fait de brancher la prise d'un appareil électrique sur le secteur crée un champ électrique dans l'espace environnant. Plus la tension est élevée, plus l'intensité du champ est forte. Comme cette tension existe même lorsqu'aucun courant ne passe, il n'est pas nécessaire d'allumer l'appareil pour qu'un champ électrique soit présent dans la pièce où il se trouve.

 

Champs magnétiques

Le champ magnétique n'apparaît que lorsque le courant électrique circule. Les champs électrique et magnétique coexistent donc dans l'environnement d'un appareil électrique. Plus le courant est fort, plus le champ magnétique est intense. Le transport et la distribution de l'électricité se font sous haute tension mais la tension du courant utilisé pour la maison est relativement basse. La tension utilisée dans les équipements destinés au transport de l'énergie électrique varie peu d'un jour à l'autre, mais le courant transporté par une ligne électrique varie en fonction de la consommation.

Le champ électrique présent autour du câble d'alimentation d'un appareil électrique ne disparaît que lorsque l'appareil est débranché ou, dans les pays où la prise murale comporte un interrupteur, lorsque cet interrupteur est fermé. Il est en revanche toujours présent au niveau du câble situé derrière le mur.

Quelle différence y a-t-il entre un champ statique et un champ qui varie au cours du temps ?

Un champ statique reste constant au cours du temps. On appelle courant continu un courant qui ne se déplace que dans un seul sens. Dans un appareil alimenté par une pile ou une batterie, le courant va du générateur à l'appareil puis revient vers le générateur. Ce courant crée un champ magnétique statique. Le champ magnétique terrestre est aussi un champ statique. C'est également le cas de celui qui est créé par un barreau aimanté et dont on peut observer les lignes de force lorsqu'on répand de la limaille de fer tout autour.

En revanche, un courant alternatif va créer un champ variable dans le temps. Un courant alternatif change de sens à intervalles réguliers. Dans la plupart des pays européens, ce changement de sens s'opère avec une fréquence de 50 Hertz, soit 50 cycles par seconde. De même, le champ magnétique engendré par ce courant oscille à raison de 50 cycles par seconde. En Amérique du Nord, la fréquence du courant électrique est de 60 Hz.

 

Quelles sont les principales sources de champs électromagnétiques de basse fréquence, de fréquence moyenne et de haute fréquence ?

Les champs électromagnétiques variables dans le temps produits par les appareils électriques sont un exemple de champs de fréquence extrêmement basse ( champs FEB ). Leur fréquence va généralement jusqu'à 300 Hz. D'autres dispositifs techniques sont capables d'engendrer des champs de moyenne fréquence ( de 300 Hz à 10 MHz ) ou encore des champs dits de radiofréquence, dont la fréquence est comprise entre 10 mégahertz et 300 gigahertz (domaine hertzien et ultrahertzien ). Les effets de ces champs sur l'organisme humain dépendent non seulement de leur intensité, mais encore de leur fréquence et de leur énergie. Le courant électrique fourni par le secteur ainsi que tous les appareils électrique qu'il alimente sont les principales sources de champs FEB , les champs de fréquence moyenne étant essentiellement produits par les écrans d'ordinateur, les dispositifs antivol et autres systèmes de sécurité. Les champs de radiofréquence ont pour principale origine les antennes de radio , de télévision , de radar et de téléphones portables ou encore les fours à microondes. Ces champs donnent naissance , dans l'organisme, à des courants induits , qui , si leur intensité est suffisante, sont capables de produire toute une gamme d'effets , tels qu' hyperthermie ou choc électrique , en fonction de leur amplitude et de leur fréquence. ( Il est vrai toutefois, que pour produire de pareils effets, le champ extérieur doit être très intense, beaucoup plus intense que ceux qui existent normalement dans l'environnement humain).

(…)

Aux radiofréquences et aux hyperfréquences ( microondes) le champ électrique et le champ magnétique sont interdépendants et constituent les deux composantes du champ électromagnétique qui se propage sous forme d'onde électromagnétique. L'intensité de ce champ est mesurée par la densité de puissance qui s'exprime en watts par mètre carré (W/m2).

Les ondes électromagnétiques de basse et de haute fréquence peuvent agir de différentes manières sur l'organisme humain.
Les générateurs et les appareils électriques sont les sources les plus courantes des champs électriques et magnétiques de basse fréquence dans lesquels baigne notre environnement.

Les télécommunications, les antennes émettrices et les fours à microondes sont les sources ordinaires de champs électromagnétiques dans le domaine des radiofréquences

 

Flux d’induction magnetique: s’exprime en Weber (Wb)
Aimantation ou excitation magnétique: S’exprime en Ampère/metre

TESLA Induction magnetique en TESLA (T) = Wb/m2

1000 Gauss = 0.1 T
1 Gauss = 0.0001 T = 0.1 mT 
1 T = 800 A/m = 1 Wb/m2 = 1 kg/s2A
0.1 Tesla = 100 mT = 80 A/m = 100 Mx/cm2
0.001 T = 1 mT =  0.8 A/m = 10 Mx/cm2 
0.1 mT = 100 uT = 80 mA/m = 1 Mx/cm2
100 uT = 80 x 10-3 A/m 
1 uT = 80 x 10-5  A/m 
1 nT  = 10 -9 gammas     = 80 x 10-8  A/m = 1 gamma

Le gauss (symbole G) est l'unité « électromagnétique » à trois dimensions d'induction magnétique. Il est défini comme étant 1 maxwell par centimètre carré (Mx/cm²).

Le tesla se défini comme l'induction magnétique qui, répartie normalement et uniformément sur une surface de 1 mètre carré, produit à travers cette surface un flux d'induction magnétique total de 1 weber (1 T = 1 Wb.m-2 = 1 kg.s-2.A-1).

Le gamma est le nom particulier d'un sous-multiple du Tesla : 1 γ = 1 nT

Dans le système CGS, l'unité d'induction magnétique est le gauss (G) ou maxwell par centimètre carré (Mx/cm²).

La conversion est : 1 G équivaut à 0,1 mT = 100 µT. 
Le maxwell par pouce carré vaut 1 Mx/sq in ≈ 1,55×10−5 T.
1 maxwell / cm2 = 1 gauss = 0.1 mT = 100 uT

Sur la Terre, le champ magnétique à la latitude de 50° est de 58 µT (5,8×10−5 T) et à l'équateur (à la latitude de 0°) il est de 31 µT (3,1×10−5 T).

Les aimants au néodyme-bore-fer, disponibles dans le commerce à bas prix, produisent des champs magnétiques de l'ordre du tesla.

Le 28 février 2007, le plus grand aimant solénoïdal supraconducteur du monde a été mis en place au Large Hadron Collider (LHC) du CERN. Le champ magnétique continu qu'il produira sera de 9 (neuf) teslas

Le plus puissant aimant à impulsions du monde, situé au National High Magnetic Field Laboratory de Los Alamos au Nouveau-Mexique, génère un champ de 60 teslas ou 600’000 gauss, à des fréquences pouvant atteindre le kilohertz

Les étoiles magnétiques (magnétars) peuvent atteindre des inductions de l'ordre de 10 gigateslas.

Notes: 

Ferromagnetiques – orientés selon des moment magnétiques parralèles: FER, NICKEL, COBALT
paramagnetique – les atomes prennent l’orientation du champ magnétique: aluminium et platine
Diamagnétiques: sans moment magnetique: cuivre, zinc, argent, or et plomb)
Antiferromagnétique: à des moments parralèles et antiparralèles, : le chrome
Note: un moment magnétique est  le CHAMPS MAGNETIQUE créé par la rotation des électons autour du noyau atomique, chaque atome étant un aimant nanosopique.

Géométrie --  Géométrie dans l'espace

Le stéradian (noté : Sr) est une unité d'angle solide correspondant à un angle solide qui découpe sur une sphère de même centre que lui une surface d'aire égale au carré du rayon de la sphère. Autrement dit, un angle solide d'un stéradian délimite sur la sphère unité à partir du centre de cette sphère une surface d'aire 1. Pour une sphère complète, l'angle solide vaut donc 4 stéradians.

Hertz (Hz)

Unité de mesure de la fréquence d’une onde. Elle définit le nombre
d’oscillations de l’onde par seconde.

Oersted (Oe)

Ancienne unité de mesure de l’intensité du champ magnétique. Aujourd’hui, l’Oersted n’est plus considéré comme une unité de mesure officielle.

 

A la base: les Ondes

Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales.

Elle transporte de l'énergie - sans transporter de matière - (ou une matière dont le poids serait celui d'un photon, soit bien inférieur encore à celui de l'électron, ou du quark: toute la dualité onde - particule)

Une onde transporte aussi de la quantité de mouvement et éventuellement du moment cinétique.

Physiquement parlant, une onde est un champ.

C'est-à-dire une zone de l'espace dont les propriétés sont modifiées, on affecte à chaque point de l'espace des grandeurs physiques scalaires ou vectorielles. Comme tout concept unificateur l'onde recouvre une grande variété de situations physiques très différentes.

 

L'onde oscillante, qui peut être périodique, est bien illustrée par les rides provoquées par le caillou qui tombe dans l'eau.

L'onde solitaire ou soliton trouve un très bel exemple dans les mascarets.

L'onde de choc, perçue acoustiquement au passage du mur du son par un avion, par exemple.

L'onde électromagnétique n'a dans certains cas pas de support matériel.

L'onde acoustique, qui a un support matériel.

L'onde de probabilité, etc....

D'autre part, la mécanique quantique a montré que les particules élémentaires pouvaient être assimilées à des ondes, et vice versa, ce qui explique le comportement parfois ondulatoire et parfois corpusculaire de la lumière : le photon peut être considéré à la fois comme une onde et comme une particule

 

Types d'ondes

On distingue plusieurs catégories d'ondes :

Les ondes longitudinales, où les points du milieu de propagation se déplacent localement selon la direction de la perturbation (exemple type : la compression ou la décompression d'un ressort, le son dans un milieu sans cisaillement : eau, air…)

Les ondes transversales, où les points du milieu de propagation se déplacent localement perpendiculairement au sens de la perturbation, de sorte qu'il faut faire intervenir une grandeur supplémentaire pour les décrire (exemple type : les vagues, les ondes des tremblements de terre, les ondes électromagnétiques). On parle pour décrire ceci de polarisation.

Le milieu de propagation d'une onde peut être tridimensionnel (onde sonore, lumineuse, etc.), bidimensionnel (onde à la surface de l'eau), ou unidimensionnel (onde sur une corde vibrante).

Une onde peut posséder plusieurs géométries : plane sphérique, etc.

Elle peut également être progressive, stationnaire ouévanescente. Elle est progressive lorsqu'elle s'éloigne de sa source. Elle s'en éloigne indéfiniment si le milieu est infini, si le milieu est borné elle peut se réfléchir sur les bords, sur la sphère (comme la Terre par exemple) les ondes peuvent revenir au point de départ en faisant en tour complet.

D'un point de vue plus formel, on distingue également les ondes scalaires qui peuvent être décrites par un nombre variable dans l'espace et dans le temps (le son dans les fluides par exemple), et les ondes vectorielles qui nécessitent un vecteur à leur description (la lumière par exemple), voire des ondes tensorielles (d'ordre 2) pour les ondes gravitationnelles de la relativité générale.

Si l'on définit les ondes comme associées à un milieu matériel, les ondes électromagnétiques sont exclues ! Pour éviter de les exclure on peut définir les ondes comme des perturbations d'un milieu, au sens large, matériel ou vide. Dans ce dernier cas c'est une perturbation électromagnétique qui peut se propager dans le vide (de matière).

 

Célérité d'une onde, fréquence

Une onde monochromatique est caractérisée par une pulsation ω et un nombre d'onde k. Ces deux quantités sont liées par la relation de dispersion. À chaque exemple d'onde mentionné ci-dessus correspond une certaine relation de dispersion.
La relation la plus simple est obtenue lorsque ondae124, le milieu est dit non dispersif

L'onde de Kelvin obéit à ω = + ck, le fait qu'il n'y ait qu'un signe fait que l'onde se propage que dans une direction (en laissant la côte à droite dans l'hémisphère Nord)
...

Deux vitesses peuvent être associées à une onde : les vitesses de phase et vitesse de groupe.

La première est la vitesse à laquelle se propage la phase de l'onde, tandis que la deuxième correspond à la vitesse de propagation de l'enveloppe (éventuellement déformée au cours du temps).

La vitesse de groupe correspond à ce qu'on appelle la célérité de l'onde.

La vitesse de phase cφ est reliée à la relation de dispersion par cφ = ω / k
La vitesse de groupe cg est reliée à la relation de dispersion par 
Pour un milieu non dispersif on a cg = cφ

Pour une onde progressive périodique, on a une double périodicité : à un instant donné, la grandeur considérée est spatialement périodique, et à un endroit donné, la grandeur oscille périodiquement au court du temps.

Fréquence ν et période T sont liés par la relation T = 1 / ν.

Pour une onde progressive se propageant avec la célérité c, la longueur d'onde correspondante λ est alors déterminée par la relation : λ = c / ν où λ est en m, ν en hertz (Hz), et c en m.s-¹.
λ est la période spatiale de l'onde.

La célérité des ondes dépend des propriétés du milieu. Par exemple, le son dans l'air à 15°C et à 1 bar se propage à 340 m.s-¹.

Pour une onde matérielle, plus le milieu est rigide, plus la célérité est grande. Sur une corde, la célérité d'une onde est d'autant plus grande que la corde est tendue. La célérité du son est plus grande dans un solide que dans l'air. Par ailleurs, plus l'inertie du milieu est grande, plus la célérité diminue. Sur une corde, la célérité est d'autant plus grande que la masse linéique (masse par unité de longueur) est faible.

Pour une onde électromagnétique, la vitesse de propagation sera généralement d'autant plus grande que le milieu est dilué (dans le cas général, il convient cependant de considérer les propriétés électromagnétiques du milieu, qui peuvent compliquer la physique du problème).

Ainsi, la vitesse de propagation de la lumière est maximale dans le vide. Dans du verre, elle est environ 1,5 fois plus faible.

De façon générale, la célérité dans un milieu dépend aussi de la fréquence de l'onde. De tels milieux sont qualifiés de dispersifs, les autres, ceux pour lesquels la célérité est la même quelle que soit la fréquence sont dits non-dispersifs.

Fort heureusement, l'air est un milieu non dispersif pour nos ondes sonores ! En ce qui concerne la lumière, le phénomène de dispersion est également à l'origine de l'arc-en-ciel : les différentes couleurs se propagent différemment dans l'eau, ce qui permet de décomposer la lumière du soleil suivant ses différentes composantes. La dispersion par un prisme est également classiquement utilisée : en décomposant la lumière, on peut ainsi faire de la spectroscopie (les méthodes interférentielles donnent cependant maintenant des résultats beaucoup plus précis).

Le sol intervient non seulement dans l'environnement immédiat de l'antenne mais aussi lors de la réflexion d'onde ionosphérique (propagation ionosphèrique par rebond multiples) ou troposphérique et dans la propagation de l'onde de sol. 

Ici la notion de sol recouvre également la surface de l'eau : lac, marais ou océan.

La conductivité du sol

La conductivité du sol (terre immergée ou océan) varie dans d'énormes proportions selon les régions à cause de l'humidité du sol. Le fonctionnement des antennes et le niveau des signaux reçus à l'extrémité d'un circuit peuvent varier dans les mêmes proportions.

 

 

Le tableau ci-dessous donne :

- la permittivité e du sol, constante entre 1 et 1000 MHz
- la conductivité s (en siemens/m) à diverses fréquences.

 

 Nature du sol .....
 e
 s à 1MHz
 s à 10MHz
 s à 100MHz
 s à 1GHz
 Sol très sec
0.0001
0.0001 
0.0001 
0.0002 
 Glace d'eau douce à -10°C
3
0.00001
0.00003
0.00008
0.0004
 Sol de conductibilité moyenne
15
0.001
0.001
0.002
0.04 
 Terrain très humide
30
0.01
0.01
0.02
0.2
 Eau douce à 20°C
80
0.003
0.003
0.005
0.2
 Eau de mer à 20°C
70
5
5
5
5
Remarque : la conductivité du sol est aussi exprimée en millisiemens, 5 S/m = 5000 mS/m

Pénétration des ondes dans le sol

Plus la conductivité du sol est grande, moins une onde de fréquence donnée pénètre profondément dans le sol. Dans l'eau de mer, la pénétration des ondes au-dessus de 1 MHz ne dépasse guère quelques dizaines de cm.
La profondeur de pénétration dépend également de la fréquence : elle est d'autant plus faible que la fréquence est élevée. Pour communiquer avec les sous-marins en plongée (avec une antenne très proche de la surface), on utilise des fréquences très basses.
p : profondeur de pénétration en m à différentes fréquences
 Nature du sol
 p à 1MHz
 p à 10MHz
 p à 100MHz
 p à 1GHz
 Sol très sec
90
90 
90 
40 
 Sol de conductibilité moyenne
30
15
6
0.5 
 Terrain très humide
5
3
1
0.2
 Eau douce à 20°C
15
10
4
0.3
 Eau de mer à 20°C
0.3
0.08
0.015
0.001

Réflexion sur le sol des ondes décamétriques

En général les circuits d'une longueur supérieure à 4000 km utilisent un ou plusieurs rebonds sur le sol. Si celui-ci est bon conducteur les pertes seront modérées et le signal peu atténué. C'est le cas avec les circuits transatlantiques quand un ou deux rebonds s'effectuent sur l'Océan Atlantique. Par contre, si le signal est réfléchi par une surface dont le sol est mauvais conducteur (désert, zone gelée...), des pertes importantes provoquent un affaiblissement net du signal.

Les deux courbes ci-dessous montrent la perte en dB subie par un signal rebondissant sur un sol moyen (diagramme de gauche) ou sur l'océan (diagramme de droite) en propagation ionosphérique ou sur le sol situé à courte distance d'une antenne.

 

Remarques:

- Pour le sol, les pertes sont proportionnelles à l'angle d'élévation tandis qu'elles sont inversement proportionnelles pour l'eau de mer.
- Les pertes augmentent pour les angles très faibles (<10 degrés)
- L'affaiblissement augmente avec la fréquence.

Rôle du sol dans la propagation des très hautes fréquences (THF)

Les radioamateurs qui pratiquent la radiogoniométrie savent l'importance des réflexions des signaux VHF sur les obstacles et le relief. 

Sur le diagramme est représentée une liaison radio entre un émetteur E et une station de réception R. En plus du signal direct (en bleu) l'antenne de réception reçoit un signal réfléchi (en rouge) ayant parcouru le trajet EAR, plus long que la distance ER.

Si d, la différence de trajet entre EAR et ER est égal à un multiple de l la longueur d'onde du signal, les deux signaux arriveront en phase et se renforcerons mutuellement. S'il arrivent en opposition de phase l'amplitude du plus faible se déduira de celle du plus fort et le signal résultant sera fortement atténué, voire annulé.

Nota : Au retard du signal réfléchi par rapport au signal direct, il faut ajouter le déphasage subi par le signal lors de sa réflexion. 

Si l'une des stations E ou R est mobile (ou si le point de réflexion A se déplace, cas où A est un avion, véhicule, bateau...), les trajet ER ou/et EAR changeront en permanence et l'amplitude du signal résultant va varier plus ou moins rapidement. Ce phénomène est à l'origine de certains fading ou QSB (signaux sinusoidaux). 

Divergence

De même que l'on peut observer des phénomènes de convergence comme ci-dessus entre un signal direct et un signal réfléchi, on rencontre le phénomène de divergence, commun en optique, dans les réflexions sur des surfaces convexes comme l'est la surface de l'océan si on la considére sur une étendue suffisamment grande. Trois rayons parallèles se réfléchissent sur une surface courbe en prenant des directions divergentes.

 

Diffusion

Phénomène proche de la divergence, mais irrégulier et quasiment aléatoire, la réflexion sur une surface irrégulière, granuleuse (une région montagneuse à l'échelle de la Terre pour les ondes décamétriques ou les toitures d'une agglomération pour des ondes métriques) provoque la dispersion de rayons incidents parallèles.

 

Dualité onde - particule 

 

En physique, la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets de l'univers microscopique présentent simultanément des propriétés d'ondes et de particules.

Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique.

Cette dualité tente de rendre compte de l'inadéquation des concepts conventionnels de « particules » ou d'« ondes », pris isolément, à décrire le comportement des objets quantiques.

L'idée de la dualité prend ses racines dans un débat remontant aussi loin que le XVIIe siècle siècle, quand s'affrontaient les théories concurrentes de Christiaan Huygens qui considérait que la lumière était composée d'ondes et celle de Isaac Newton qui considérait la lumière comme un flot de particules.

À la suite des travaux de Albert Einstein, Louis de Broglie et bien d'autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une nature d'onde et de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à des échelles microscopiques.

Onde ou particule, c'est l'absence de représentation plus adéquate de la réalité des phénomènes qui nous oblige à adopter, selon le cas, un des deux modèles alors qu'ils semblent antinomiques.

 

Introduction 

Un des grands problèmes de la physique quantique est de donner des images. En effet, l'être humain a besoin d'images pour réfléchir, pour retenir 

On ne peut se construire des images que par analogie avec ce que l'on connaît, avec notre expérience quotidienne. Ainsi, lorsque l'on s'imagine une onde, il nous vient à l'esprit les vagues sur l'eau ; lorsque l'on s'imagine une particule, il nous vient à l'esprit une bille.

Le problème en physique quantique est que, pour se représenter les objets aux petites échelles ou aux échelles élevées d'énergie (particules élémentaires), il faut faire appel aux deux notions d'ondes et de particules solides, alors qu'elles sont opposées et incompatibles :

 

Propriétés macroscopiques des ondes et particules
 
Particule
Onde
position ou interaction
localisée, d'extension définie
délocalisée, d'extension infinie dans le temps et l'espace
propagation
trajectoire continue, avec une vitesse définie et observable
diffusion en même temps dans toutes les directions (son "moment" virtuel n'est pas directement observable)
dénombrabilité et séparabilité
l'objet est dénombrable, et séparable en objets distincts.
l'objet est indénombrable et inséparable en objets distincts.
 

Ceci cause un grand trouble, une incompréhension, et entraîne fréquemment un blocage, notamment lorsque l'on se pose la question : « si une particule est bien localisée lors d'une interaction, comment se fait-il qu'elle ne le soit pas hors interaction ? »

 

Dualité onde - particule particule . Dossier pdf comlément COMPILATION - 8 pages

 

 

L'onde électromagnétique

L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements électromagnétiques. Elle est associée à la notion de photon.

Il convient de bien distinguer :

  • le rayonnement électromagnétique, qui est le phénomène étudié, et

  • l'onde électromagnétique, qui est une des représentations du phénomène.

Une onde lumineuse est une onde électromagnétique dont la longueur d'onde correspond au spectre visible, soit entre les longueurs d'onde 380 et 780 nanometres, ce qui correspond aux énergies de photon de 1.5 à 3 eV. Comme toutes les ondes, une onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l'analyse spectrale.

Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant ou trièdre (k, ,)

Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).

Les variations des champs électrique et magnétique sont liées par les équations de Maxwell, on peut donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique. On peut alors écrire l'équation générale d'une onde plane monochromatique :

  • ω est la pulsation et vaut   

  • est le vecteur position du point considéré,

  •  est le vecteur d'onde dont la norme vaut \frac{2\pi}{\lambda}, λ étant la longueur d'onde ;

  •  est la phase à l'origine.

On utilise aussi fréquemment la forme complexe :

On obtiendra alors les grandeurs physiques, réelles, en prenant la partie réelle de cette forme complexe.

Propriétés 

Polarisation 

La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique . Pour une onde non polarisée, ou naturelle,  tourne autour de son axe de façon aléatoire et imprévisible au cours du temps.

Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au champ électrique. Il y a plusieurs sortes de polarisation:

  • La polarisation linéaire quand  reste toujours dans le même plan.

  • La polarisation circulaire, le champ magnétique tourne autour de son axe en formant un cercle.

  • La polarisation elliptique, le champ magnétique tourne autour de son axe et change d'amplitude pour former une ellipse.

 

Comportement ondulatoire

Propagation

Dans un milieu homogène et isotrope, l'onde électromagnétique se propage en ligne droite. Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction ; lors d'un changement de milieu, il y a réflexion et réfraction, il y a aussi réfraction si les propriétés du milieu changent selon l'endroit (hétérogénéité). Voir aussi Principe de Huygens-Fresnel.

Réflexion

Lors d'un changement de milieu de propagation, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine, c'est la réflexion.
Le cas le plus connu de la réflexion est le miroir, mais celle-ci concerne également les rayons X (miroir à rayons X) et les ondes radio : réflexion sur la ionosphère des ondes mégahertz, antenne parabolique, réflexion sur la Lune…

Réfraction

Lors d'un changement de milieu de propagation, si le second milieu est transparent pour l'onde, celle-ci se proprage dans le second milieu mais avec une direction différente. Cela concerne la lumière (lentille optique, mirage), mais aussi les ondes radio (réfraction des ondes décamétriques dans la ionosphère).

Diffusion

Lorsqu'une onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci, elle change de direction. On distingue la diffusion Rayleigh, dite « diffusion électronique », au cours de laquelle l'onde ne change pas de longueur d'onde, la diffusion Raman qui est une diffusion électronique avec diminution ou augmentation de longueur d'onde, et la diffusion Compton, dans le cas des rayons X diffusant sur des atomes légers, au cours de laquelle la longueur d'onde augmente.

Interférences

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent interférer. Dans le cas des radiocommunications, cela provoque un parasitage du signal (voir aussi Rapport signal sur bruit).

Diffraction

L'interférence d'ondes diffusées porte le nom de diffraction :

  • théorie de la diffraction ;

  • diffraction par une fente ;

  • fentes de Young ;

  • réseau de diffraction ;

  • diffraction de rayons X ;

  • espace réciproque.

Flux d'énergie

Le flux d'énergie à travers une surface est donné par le flux du vecteur de Poynting.

 

Dualité onde-corpuscule 

La notion d'onde électromagnétique est complémentaire de celle de photon. En fait, l'onde fournit une description plus pertinente de la radiation pour les faibles fréquences (c'est-à-dire les grandes longueurs d'onde) comme les ondes radio.

En fait, l'onde électromagnétique représente deux choses :

  • la variation macroscopique du champ électrique et du champ magnétique ;

  • la fonction d'onde du photon, c'est-à-dire que la norme au carré de l'onde est la probabilité de présence d'un photon.

Lorsque le flux d'énergie est grand devant l'énergie des photons, on peut considérer que l'on a un flux quasi-continu de photons, et les deux notions se recouvrent. Ceci n'est plus vrai lorsque le flux d'énergie est faible (on envoie les photons un par un), la notion de « variation macroscopique » (moyenne) n'a alors plus de sens. Le flux d'énergie est donné par le vecteur de Poynting. Chaque photon « emporte » une quantité d'énergie déterminée, valant E = h·ν, h étant la constante de Planck et ν la fréquence. On peut ainsi calculer le flux de photons à travers une surface.

Historique 

La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Christiaan Huygens dans les années 1670, et par Augustin Fresnel. Elle s'opposait à l'époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par René Descartes. Huygens travaillait principalement sur les lois de réflexion et de réfraction, Fresnel développa notamment les notions d'interférence et de longueur d'onde. Les approches ondulatoires et corpusculaires furent réunies par Albert Einstein lorsque celui-ci établit le modèle du photon en 1905, dans ses travaux sur l'effet photo-électrique.

La grande avancée théorique fut la synthèse des lois de l'électromagnétisme par James Clerk Maxwell. Les équations de Maxwell prédisaient la vitesse des ondes électromagnétiques, et la mesure de la vitesse de la lumière démontra que la lumière était de nature électromagnétique.

Les ondes radio, à basse fréquence et grande longueur d'onde, furent découvertes à la fin du XIXe siècle avec les travaux notamment d'Alexandre Popov, Heinrich Hertz, Édouard Branly et de Nikola Tesla. Les rayons X, à haute fréquence et faible longueur d'onde, furent découverts par Wilhelm Röntgen en 1895. 

Champ électromagnétique

Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force électromagnétique qu'exercent des particules chargées. Concept important de l'électromagnétisme, ce champ représente l'ensemble des composantes de la force électromagnétique s'appliquant sur une particule chargée se déplaçant dans un référentiel galiléen.

 

Orientation d'un solénoïde mobile en fonction du champ magnétique terrestre

 

Une particule de charge q et de vitesse v subit une force qui s'exprime par :

où  est le champ électrique et  est le champ magnétique. Le champ électromagnétiqueest l'ensemble  

.

Le champ électromagnétique est en effet la composition de deux champs vectoriels  l'on peut mesurer indépendamment. Néanmoins ces deux entités sont indissociables :

  • la séparation en composante magnétique et électrique n'est qu'un point de vue dépendant du référentiel d'étude,

  • les équations de Maxwell régissant les deux composantes électrique et magnétique sont couplées, si bien que toute variation de l'un induit une variation de l'autre.

Le comportement des champs électromagnétiques est décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique.

La façon la plus générale de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.

 

Transformation galiléenne du champ électromagnétique 

La valeur attribuée à chacune des composantes électrique et magnétique du champ électromagnétique dépend du référentiel d'étude. En effet on considère généralement en régime statique que le champ électrique est créé par des charges au repos tandis que le champ magnétique est créé par des charges en mouvement (courants électriques).

Néanmoins la notion de repos et de mouvement est relative au référentiel d'étude.

Dans le cadre de la relativité galiléenne, si on considère deux référentiels d'étude galiléens (R) et (R'), avec (R') et en mouvement rectiligne uniforme de vitesse V par rapport à (R), et si on appelle v' la vitesse d'une charge q dans (R'), sa vitesse dans (R) est v = v' + V.

Si on appelle (E, B) et (E', B') les composantes du champ électromagnétique respectivement dans (R) et dans (R'), l'expression de la force électromagnétique devant être identique dans les deux référentiels on obtient la transformation des champs électromagnétiques grâce à :

Cette relation étant vraie quelle que soit la valeur de v' on a :  et 

 

Fréquence

La fréquence d’un champ électromagnétique est le nombre de variations du champ par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz) ou cycles par seconde, et s’étend de zéro à l’infini. Une classification simplifiée des fréquences est présentée ci-après, et quelques exemples d’applications dans chaque gamme sont indiqués.

 

Fréquence
Gamme
Exemples d’applications
0 Hz
Champs statiques
Electricité statique
50 Hz
Extrêmement basses fréquences (ELF)
Lignes électriques et courant domestique
20 kHz
Fréquences intermédiaires
Écrans vidéo, plaques à inductions culinaires
88 – 107 MHz
Radiofréquences
Radiodiffusion FM
300 MHz – 3 GHz
Radiofréquences micro-ondes
Téléphonie mobile
400 – 800 MHz
Téléphone analogique (Radiocom 2000), télévision
900 MHz et 1800 MHz
GSM (standard européen)
1900 MHz – 2,2 GHz
UMTS, four à micro-ondes
3 – 100 GHz
Radars
Radars
375 – 750 THz
Visible
Lumière, lasers
750 THz — 30 PHz
Ultra-violets
Soleil, photothérapie
30 PHz — 30 EHz
Rayons X
Radiologie
30 EHz et plus
Rayons gamma
Physique nucléaire

 

Les rayonnements X et gamma peuvent rompre les liaisons moléculaires et être à l'origine d'ionisations, facteur cancérigène.

Les rayonnements ultra-violets, visibles et infra-rouges peuvent modifier les niveaux d'énergie au niveau des liaisons au sein des molécules.

Tout le monde connait les fours icro-ondes qui ont la propriétés d'exciter les molécule d'eau, ce qui donne lieu à un effet de cuisson. Il en va ainsi de même pour toute molécule qui "face à à une onde correspondant à sa fréquence oscillatoire."

Les radiofréquences n’ont pas suffisamment d’énergie pour perturber les liaisons moléculaires.

 

Intensité et puissance 

L’intensité d’un champ peut être exprimée à l’aide de différentes unités :

  • pour le champ électrique, le volt par mètre (V/m)

  • pour le champ magnétique, l’ampère par mètre (A/m) ou le tesla (T) (1 A/m = 1,27 µT)

  • Selon le rayonnement d’exposition, en densité surfacique de puissance (DSP, en W/m2).

  • La DSP est proportionnelle au produit du champ électrique par le champ magnétique : DSP = E x H = E² / 377 = 377 x H², ou encore : E = Racine (377 x DSP)

  • La puissance globale contenue dans un champ électromagnétique peut aussi s’exprimer en watts (W).

 

Autres propriétés

La polarisation : orientation du champ électrique dans le rayonnement

La modulation :

  • d’amplitude (AM), de fréquence (FM), par impulsions (PW).

  • pas de modulation = émission continue (CW)

Lorsque l’émission est modulée, il faut différencier la puissance maximale, appelée puissance-crête, et la puissance moyenne résultant de la modulation. Par exemple, dans une émission radar avec des impulsions d’une durée de 1 ms toutes les secondes, la puissance moyenne est 1000 fois inférieure à la puissance-crête dans l’impulsion.

Limites d’exposition pour la santé 

Pour limiter les risques de surexposition aux champs électromagnétiques, il existe des limites d’expositions qui fixent la puissance maximum des énergies propagées par les téléphones mobiles, les antennes relais, etc. La France ne dispose pas de réglementation propre à elle. Elle applique la directive européenne (directive 2004/40/CE) transposée dans la loi nationale par le décret décret n° 2002-775 . Cette réglementation est en fait inspirée par la Commission internationale de protection contre les rayonnements non-ionisants (CIPRNI).

La valeur limite recommandée n’est pas égale au seuil d’apparition des effets biologiques sur l’homme. La CIPRNI applique en fait un facteur de sécurité de 10 dans le cas de la limite d’exposition professionnelle et de 50 pour la valeur limite recommandée pour la population générale.

"Certaines parties du corps pouvant absorber localement des puissances pouvant être jusqu’à 25 fois supérieures, un débit d’absorption spécifique local a été établi. Celui-ci ne doit pas dépasser 2 W/kg pour la tête et le tronc et 4 W/kg pour les membres. Ces valeurs sont des "restrictions de base" qui ne doivent pas être dépassées.

 

Controverses   

Les lignes à hautes tensions et les appareils électriques   

La fréquence des champs électromagnétiques émise par les lignes à haute tension (HT) et à très haute tension (THT, jusqu’à 400 000 volts en France) est qualifiée d’ « extrêmement basse fréquence » (EBF/ELF) (50 Hz en France et en Europe, 60 Hz en Amérique du nord).

A proximité immédiate d’une ligne à très haute tension le champ électrique peut atteindre 10kV/m et le champ magnétique plusieurs microteslas. Cette intensité se réduit au fur et à mesure de l’éloignement, à partir de 100 mètres le champ magnétique créé par les lignes est de l’ordre du niveau moyen dans les domiciles.

En effet, les champs électromagnétiques à très basse fréquence sont aussi émis par les appareils électriques et les fils électriques dans les habitations.
Depuis plus de 30 ans des centaines d’études (voir base documentaire ont été réalisé sur les risques des champs électromagnétique EBF.

L’OMS, sur la base de ces recherches, écarte le lien entre ces lignes et des tumeurs infantiles, des cancers de l’adulte, des troubles cardio-vasculaires, des problèmes immunitaires ou nerveux, les dépressions et les suicides ne seraient pas liés non plus Pour le cas de la leucémie infantile, l’OMS recommande néanmoins d'appliquer des "mesures de précaution" (ce qui est pour l'OMS différent du principe de précaution) : "A condition de ne pas mettre en péril les bienfaits apportés sur le plan sanitaire, social et économique par l’énergie électrique, la mise en oeuvre de mesures de précaution à très bas coût afin de réduire l’exposition est raisonnable et justifiée.

Le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC), quant à lui, classe les champs EBF dans sa classification des preuves de cancérogénécité dans la catégorie "Peut-être cancérogène pour l'homme" (classification 2B).

Certaines études épidémiologiques concordantes expliquent ce classement, même si aucune étude biologique n’a pu mettre en évidence une relation de cause à effet. Pour les autres cas, les champs électromagnétique sont dans la classification 3 ("ne peut pas être classé quant à sa cancérogènicité pour l’Homme").

L’OMS invite à continuer la recherche dans ce domaine : "Les pouvoirs publics et l’industrie doivent promouvoir des programmes de recherche visant à réduire l’incertitude des données scientifiques concernant les effets sanitaires de l’exposition aux champs EBF. "

L’étude épidémiologique la plus récente est celle de Gerald Drapper (2005), qui a trouvé une corrélation entre les champs EBF et une augmentation des risques de leucémie chez les enfants dont le lieu de naissance se situe dans un rayon de 200 m autour des lignes THT. Les auteurs eux-mêmes s’interrogent ; Selon eux, il n’existe aucun mécanisme biologique reconnu expliquant ce résultat ; "« en fait, la relation peut être due au hasard ou aux facteurs de confusion »". Après la publication, Gerald Drapper a confirmé dans un commentaire que la "distribution de nos témoins (/ leucémies) signifie que le hasard doit être plus sérieusement considéré comme explication de nos résultats"
La commission européenne se repose sur un avis de 2007 du Comité scientifique sur les risques émergents et nouvellement identifiés pour la santé (SCENIHR), réactualisé en 2009 à partir d'une méta-analyse deplus de 200 nouvelles études scientifiques (sans grand changement de ses conclusions qui jugent peu probable un impact des ondes radiofréquences des téléphones et appareils «sans fil» avec l’augmentation des cancers au sein, mais en reconnaissant le besoin de clarifier les effets de la téléphonie mobile sur le long terme (10 ans et plus) et chez les enfants ainsi que chez les adultes utilisant intensivement ces appareils

Les effets sur la santé des ondes de fréquence intermédiaire, de plus en plus utilisées, notamment dans les portails anti-vol et les détecteurs de métaux, sont encore mal connus.

Les ondes à extrêmement basses fréquences, utilisées dans les lignes à haute tension, «pourraient contribuer aux leucémies chez l’enfant», indique le Scenihr conformément à ses conclusions de 2007. En outre, deux récentes études épidémiologiques ont permis d’identifier un lien possible avec la maladie d’Alzheimer. Cependant, ces études épidémiologiques ne sont pas confirmés par les études in vivo et in vitro, pour lesquelles des effets sont montrés, mais à des niveaux d'expositions beaucoup plus élevés

Téléphonie mobile et radiofréquences 

Depuis quelques années persiste une méfiance vis à vis de la téléphonie mobile et des antennes-relais.
L’exposition aux rayonnements électromagnétiques n’est pas le même pour les deux sources. Les téléphones mobiles et les stations de base (antennes-relais) utilisent des radiofréquences (RF) mais représentent des situations différentes.

Le premier a un temps d’exposition et une puissance faible, mais une forte proximité du cerveau, le second a temps d’exposition permanent et une puissance forte en sortie, mais le champ perd rapidement de sa puissance au fur et à mesure de la distance et des murs d’habitation.
Les études n’ont pour l’instant pas formellement prouvés de risques pour la santé, ainsi en 2001, dans son rapport au directeur général de la santé, le Dr Denis Zmirou souligne "l’absence d’effets sanitaires avérés", en s’appuyant sur l’analyse de plusieurs études internationales. Cette "prudence" est confirmée dans deux autres de ses rapports (2003 et 2005), même s’il souligne les risques induits par une l’utilisation du portable dans de "mauvaises conditions", notamment une qualité de réception médiocre.

Dr. Zmirou considère qu’il y a assez de résultats convergents, pour affirmer qu’un usage intensif et prolongé du téléphone portable, dans de mauvaises conditions de réception, est susceptible d’induire des effets sanitaires sérieux.

En 2004, un groupe d’experts mandatés par l’AFSSET (Agence Française de Sécurité Sanitaire Environnementale et du Travail), pour analyser les effets biologiques et sanitaires des champs électromagnétiques associés au téléphone mobile, confirme que les rayonnements émis par le portable "ne permettent pas de conclure à leur caractère nocif, en l’état actuel des connaissances". L’agence ajoutant, "mais la vigilance doit être maintenue et ce sujet nécessite la poursuite de travaux scientifiques".

Pour les antennes-relais l’AFSSET constate que "l’analyse globale des données scientifiques actuelles sur l’exposition aux ondes des stations relais ne révèle aucun risque pour la santé lié aux stations de base de la téléphonie mobile".

Par ailleurs, l’agence annonce manquer de recul nécessaire pour mener une recherche sur des critères indiscutables. Au niveau international, la recherche dans le domaine se poursuit avec la grande étude lancée en 2001 par l’organisation mondiale de la santé (OMS). Baptisée Interphone, cette étude s’intéresse à vérifier l’augmentation des risques de cancer dus aux téléphones mobiles.
L’étude est coordonnée par le CIRC. Elle concerne les utilisateurs de 30 à 59 ans de 13 pays dont la France. Les résultats devraient être publiés au courant de l’été 2008. Les premiers résultats rendus publics concernant les pays nordiques montrent un coefficient de risque relatif de 1,39 (contre 1 normalement) pour les sujets exposés plus de dix ans à ces ondes, cependant le nombre réduit de cas (77) s’avère trop faible pour délivrer une estimation statistique.

Hypersensibilité aux champs électromagnétique 

Certaines personnes se plaignent de "petits" maux qu’elles attribuent aux champs électromagnétiques et particulièrement aux antennes-relais. Migraines, arythmies, nausées, troubles de la concentrations, vertiges, palpitations, fourmillements, rougeurs, fatigues… sont les symptômes décrits par ceux dit "électrosensibles.

Les scientifiques n’ont pas réussi à prouver le lien de cause à effet entre les champs électromagnétiques et les pathologies d’électrosensibilité, malgré les études en double aveugle.
Pour le moment, il n’y a qu’en Suède où ces personnes sont considérées comme des malades que la sécurité sociale prend en charge et où leur trouble est reconnu comme un handicap.

Un débat passionné 

Avec ces études scientifiques contradictoires, et compte tenu des biais possibles des études épidémiologiques, le débat scientifique est loin d’être clos. Or, l’opinion publique qui utilise tous les jours les téléphones portables souhaite que la science démontre son innocuité. Barnabas Kunsch, du Centre autrichien de recherche de Scibersdorf résume cette question "L’absence de preuve d’un effet nocif ne semble pas suffire aux sociétés modernes. Ce que l’on exige avec plus en plus d’insistance, c’est davantage la preuve de son absence".

Ainsi, des associations tel que Priartem ou le Criirem militent pour des normes réglementaires plus contraignantes, ou encore des chercheurs américains, nordiques, autrichiens et chinois dans le cadre du rapport BioInitiative publié fin août 2007.

La commission européenne, de son côté, mandate régulièrement des groupes d’experts, qui n’ont pas proposé à ce jour de révision des valeurs limites.

Champs électriques & champs magnétiques

 

(Reference: OMS)
Les champs électriques sont produits par  difference de potentials entre deuy points:  Plus le voltage est élevé, plus le champ qui en résulte est intense. Ils surviennent même si le courant (amperage) ne passe pas.
Au contraire les champs magnétiques apparaissent lorsque le courant (ampérage) circule : ils sont d'autant plus intenses que le courant est élevé.
Ainsi, lorsqu'on a un courant électrique, l'intensité du champ magnétique variera selon la “consommation” d'électricité, alors que l'intensité du champ électrique restera constante.

 

 

Champs électromagnétiques d'origine naturelles ou humaines

Les champs électromagnétiques sont partout présents dans notre environnement. Ainsi, l'appartion en certains points de l'atmosphère de charges électriques sous l'influence d'orages donne naissance à un champ électrique. 

L'orientation de l'aiguille aimantée d'une boussole dans la direction nord-sud est due au champ magnétique terrestre qui est également utilisé comme aide à la navigation par les oiseaux et les poissons.

Les champs électromagnétiques créés par l'activité humaine 

A côté des sources naturelles qui composent le spectre électromagnétique, existent d'autres champs qui résultent de l'activité humaine: ces champs sont par exemple à l'origine des rayons X, des raxons gamma, bêta ou alpha (radioactivité), appelés rayonnement ionisants, mais encore toutes les ondes radios et champs électriques, appelés aussi rayonnement non ionisants.

Au niveau de toute prise de courant existe également un champ électromagnétique de basse fréquence engendré par le courant électrique. Nous utilisons  aussi toutes sortes de rayonnements dans le domaine des radiofréquences élevées pour la transmission d'informations, au moyen d'antennes de télévision et de radio ou encore pour la liaison avec les téléphones portables.

 

Mais qu'est-ce  donc qu'un champ électromagnétique ?

Les CEM qui ont fait l'objet des études sur la santé sont généralement ceux dont la fréquence se situe entre 1 hertz (1 Hz) et 300 gigahertz (300 GHz), et se décomposent schématiquement ainsi :

Les champs de basse fréquence (entre 1 Hz et 10 KHz), qui incluent aussi les champs d'extrêmement basse fréquence (1 Hz à 300 Hz), appelés ELF (extremly low frequency, ondes myriamétriques, infrasons).  Les plus utilisés sont ceux ayant une fréquence de 50-60 Hz, soit la fréquence de l'électricité domestique que nous utilisons en permanence. Les sources d'exposition principales sont nombreuses : lignes électriques, transformateurs, câbles souterrains, voies ferrées, éclairages publics et, plus près de nous, installations électriques domestiques, appareils ménagers, photocopieuses, ordinateurs, etc.

Les champs de radiofréquence (RF) dont la fréquence est comprise entre 1O KHz et 300 GHz et qui incluent les champs d'hyperfréquence (entre 300 MHz et 300 GHz) dont une partie appartient aux micro-ondes. Ils ont pour principale origine les antennes de radio et téléphone, de radar, de téléphonie mobile, mais aussi les fours à micro-ondes.

Longueur d'onde, fréquence et énergie d'une onde électromagnétique

Les ondes électromagnétiques, dont la lumière est un exemple, sont une forme d'énergie. La quantité d'énergie contenue dans une onde dépend de la fréquence et de la longueur d'onde. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus l'énergie de l'onde électromagnétique est élevée.

Les propriétés des ondes électromagnétiques diffèrent selon la quantité d'énergie possédée. Les ondes électromagnétiques dont la fréquence est supérieure à 1015 Hz ont une énergie suffisante pour casser les liaisons chimiques et ioniser les molécules. Ces ondes électromagnétiques sont appelées " rayonnements ionisants ". Il s'agit des rayons cosmiques, des rayons gamma et des rayons X.

Les ondes électromagnétiques de fréquence inférieure à 1015 Hz n'ont pas l'énergie suffisante pour briser les liaisons chimiques. Elles sont appelées " rayonnements non ionisants ". Il s'agit des rayons UV, de la lumière visible, des radiofréquences et des basses et extrêmement basses fréquences. Les rayons UV sont situés à la frontière de l'ionisation.

Caractéristiques

Pour caractériser un champ électromagnétique , on utilise notamment sa fréquence ou encore la longueur d'onde du rayonnement qui lui est associé.

On peut se représenter le rayonnement électromagnétique comme une série d'ondes très régulières qui progressent à une vitesse extrêmement élevée et plus précisément à la vitesse de la lumière., soit 299 792 458 m/s ou près de 300’000 km/seconde  (à la difference du son qui se propage à la vitesse du son, soit 340 m par seconde ou 0.34 km par seconde)

La fréquence traduit simplement le nombre d'oscillations ou de cycles par seconde

La longueur d'onde est égale à la distance entre un point d'une onde et son homologue sur l'onde suivante.

Fréquence et longueur d'onde sont donc totalement indissociables : plus la fréquence est élevée plus la longueur d'onde est courte.

Fréquence (hertz) = nb d’oscillation par seconde

La fréquence temporelle, ou momentanée, est notée généralement f ou ν et se définit comme l'inverse de la période temporelle notée T, soit f=\frac{{1}}{{T}}. La période temporelle étant le temps nécessaire pour que le phénomène se reproduise identique à lui-même, la fréquence temporelle est donc pour une unité de temps donnée le nombre de fois que le phénomène se reproduit identique à lui-même.
Si l'unité de temps choisie est la seconde (unité de temps dans le système international d'unités dit SI), la fréquence est alors mesurée en hertz dont le symbole est Hz (unité SI). Plus la valeur en hertz est élevée et plus la durée en seconde est courte.

 

Il est possible d'utiliser d'autres relations pour définir la fréquence temporelle : ainsi pour un phénomène se propageant dans l'espace (par exemple l'amplitude d'une onde propagative), sa fréquence associée peut être 
également calculée par la relation   où  est la fréquence de l'onde (en Hertz), la célérité de l'onde (en mètres par seconde) et , la longueur d'onde (en mètres).

Ainsi la fréquence représente le nombre de fois qu'une grandeur associée à un phénomène physique revienne identique à elle même après que le phénomène ait parcouru une certaine distance λ. Cette relation est valide, et équivalente à la première relation, seulement dans le cas d'un phénomène qui se propage spatialement (exclu le cas de l'onde stationnaire).

Par exemple, lorsqu'une onde progresse (comme des vagues sur l'eau), on peut identifier la longueur d'onde des vagues comme la distance entre deux hauteurs ou deux creux de vagues. La fréquence de l'ondulation est alors cette distance que multiplie la vitesse des vagues. Cela donne exactement le même résultat que pour l'exemple précédent où l'on mesure la période temporelle. À ce titre, la longueur d'onde λ est parfois appelée période spatiale par similitude avec la période temporelle T.
Pour les phénomènes en rotation (toupie, pendule), la fréquence f est reliée à la notion de pulsation, généralement notée ω, par la relation ω = 2πf. Comme 2π est la valeur en radian pour faire une rotation complète, la pulsation est le nombre de tours qu'effectue le phénomène sur lui-même par unité de temps.

En physique, dans le domaine de la physique ondulatoire on parlera d'une fréquence :

  • d'oscillation mécanique (ressort, corde vibrante, vibration du réseau cristallin, vibration de molécules, etc...),

  • d'oscillation acoustique dans le domaine audible (sonore) ou inaudible (infrasons, ultrasons, hypersons ...)

  • d'oscillation électromagnétique (lumière visible, infrarouge, ultraviolet, etc...).

La fréquence est également utilisée pour quantifier la vitesse de fonctionnement d'un microprocesseur (voir Fréquence du processeur). Dans ce cas, la fréquence permet de connaître le nombre d'opérations par seconde que peut effectuer le composant (exemple : un processeur d'horloge 2Ghz peut traiter 2'000'000'000 d'opérations élémentaires par seconde).

 

Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence (ou période), d'énergie des photons ou encore de longueur d’onde associée, les quatre grandeurs ν (fréquence), T(période), E (énergie) et λ (longueur d’onde) étant liées deux à deux par :

  • la constante de Planck  (approx. 6,626069×10-34 J⋅s ≈ 4,13567 feV/Hz)

  • et la vitesse de la lumière  (exactement 299 792 458 m/s),

selon les formules : 

  

  • pour l’énergie transportée par le photon et 

  • pour le déplacement dans le vide (relativiste dans tous les référentiels) du photon,

d’où aussi :

 
Spectre électromagnétique
 
Spectre électromagnétique : Radioélectricité · Spectre radiofréquence · Bandes VHF-UHF · Spectre micro-ondes
Fréquence
Longueur d’onde
kHz
33 km
 
GHz
30 cm
 
300 GHz
mm
 
THz
100 µm
 
405 THz
745 nm
 
480 THz
625 nm
 
508 THz
590 nm
 
530 THz
565 nm
 
577 THz
520 nm
 
612 THz
490 nm
 
690 THz
435 nm
 
750 THz
400 nm
 
30 PHz
10 nm
 
30 EHz
pm
 
Bande
 
ondes radio
micro-ondes
térahertz
infrarouge
rouge
orange
jaune
vert
cyan
bleu
violet
ultraviolet
rayons X
rayons γ
rayonnements pénétrants
lumière visible 
rayonnements ionisants
http://qrg.dk1ny.ath.cx/index.php?search_value=82&submit=Searchpour un database des frequencies enregistrées.

 

Plus bas dans le classement, il existe également les ELF, et les infrasons (< 20 hertz). Ainsi, les sous-grave et l'infra-grave ont la capacité de traverser les obstacles plus facilement que les hautes fréquences, qui elles, sont vulnérables aux réflexions. Ce qui se traduit souvent par une très longue portée de l'énergie acoustique. Exposé directement à une forte pression sonore dans ces basses fréquences, l'énergie peut être telle que la structure même d'un bâtiment se met en branle.

Usages et classification

Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique (dans le tableau ci-dessous, les longueurs d'onde sont calculées avec l'approximation courante c=3 \times 10^8 \,m.s^{-1}sauf pour la bande THF)

 

Bandes
Fréquences
Longueur d’onde
Usages
Ondes TLF (Tremendously Low Frequency)
0 Hz à 3 Hz
100 000 km à ∞
Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels, ondes gravitationnelles
Ondes ELF (Extremely Low Frequency)
3 Hz à 30 Hz
10 000 km à 100 000 km
Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires
Ondes SLF (Super Low Frequency)
30 Hz à 300 Hz
1 000 km à 10 000 km
Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques humaines, ondes des lignes électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques ondes électriques
Ondes ULF (Ultra Low Frequency)
300 Hz à 3 kHz
100 km à 1 000 km
Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes électriques des réseaux téléphoniques et ADSL, harmoniques ondes électriques, signalisation TVM des TGV
Ondes VLF (Very Low Frequency)
3 kHz à 30 kHz
10 km à 100 km
Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires
Ondes LF (Low Frequency)
30 kHz à 300 kHz
1 km à 10 km
Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation
Ondes MF (Medium Frequency)
300 kHz à 3 MHz
100 m à 1 km
Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires
Ondes HF (High Frequency)
3 MHz à 30 MHz
10 m à 100 m
Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radiocommunications militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, signaux horaires, CB en 27 MHz, radar Nostradamus
Ondes VHF (Very High Frequency)
30 MHz à 300 MHz
1 m à 10 m
Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales
Ondes UHF (Ultra High Frequency)
300 MHz à 3 GHz
10 cm à 1 m
Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM et UMTS, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar
Ondes SHF (Super High Frequency)
3 GHz à 30 GHz
1 cm à 10 cm
FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi, fours à micro-ondes
Ondes EHF (Extremely High Frequency)
30 GHz à 300 GHz
1 mm à 1 cm
FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques
Ondes THF (Tremendously High Frequency)
300 GHz à 300 000 000 THz
0,99 pm à 999,3 µm
* Ondes infrarouges C (300 GHz à 100 THz)
  •  
    • Infrarouges extrêmes (300 GHz à 19,986 THz)
    • Infrarouges lointains (19,986 à 49,965 THz)
    • Infrarouges moyens (49,965 à 99,930 THz)
  • Infrarouges proches (99,930 à 399,723 THz)
    • Ondes infrarouges B (100 à 214 THz)
    • Ondes infrarouges A (214 à 374,740 THz)
    • Transition vers le rouge (374,740 à 384,349 THz)
  • Lumière visible par l’homme (couleurs « spectrales ») :
    • Ondes visibles rouges (391,885 à 483,536 THz soit 765 à 620 nm)
    • Ondes visibles rouges orangées (483,536 à 503,007 THz soit 620 à 596 nm)
    • Ondes visibles jaunes orangées (503,007 à 510,719 THz soit 596 à 587 nm)
    • Ondes visibles jaunes (510,719 à 516,883 THz soit 587 à 580 nm)
    • Ondes visibles jaunes verdâtres (516,883 à 521,378 THz soit 580 à 575 nm)
    • Ondes visibles vertes jaunâtres (521,378 à 535,343 THz soit 575 à 560 nm)
    • Ondes visibles vertes (535,343 à 565,646 THz soit 560 à 530 nm)
    • Ondes visibles vertes bleutées (565,646 à 609,334 THz soit 530 à 492 nm)
    • Ondes visibles cyanes (609,334 à 615,590 THz soit 492 à 487 nm)
    • Ondes visibles bleues verdâtres (615,590 à 621,976 THz soit 487 à 482 nm)
    • Ondes visibles bleues (621,976 à 644,714 THz soit 482 à 465 nm)
    • Ondes visibles indigos (644,714 à 689,178 THz soit 465 à 435 nm)
    • Ondes visibles violettes (689,178 à 788,927 THz soit 435 à 380 nm)
  • Transition vers les ultraviolets (788,927 THz à 749,481 THz)
  • Rayonnements dits « ionisants » :
    • Ultraviolet :
      • Ultraviolets UV-A (749,481 THz à 951,722 THz)
      • Ultraviolets UV-B (951,722 THz à 1070,687 THz)
      • Ultraviolets UV-C (1070,687 THz à 1498,962 THz)
      • Ultraviolets V-UV (1498,962 THz à 3 PHz)
      • Ultraviolets X-UV, transition vers les rayons X (3 PHz à 300 PHz)
    • Rayons X :
      • Rayons X mous (300 PHz à 3 EHz)
      • Rayons X durs (3 EHz à 30 EHz)
    • Rayons gamma :
      • Rayons gamma mous (30 EHz à 300 EHz)
Rayons gamma durs (au-delà de 300 Propagation des ondes radio
Les ondes radioélectriques ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons :
  • dans l'espace libre (propagation rayonnée, autour de la Terre par exemple)
  • dans des lignes (propagation guidée, dans un câble coaxial ou un guide d'onde)
Le domaine des fréquences des ondes radio s'étend de 9 kHz à 3 000 GHz.
Pour la partie théorique, on se reportera à l'article Établissement de l'équation de propagation à partir des équations de Maxwell .
      • EHz) (au-delà de la bande THF)

 

Intérêt de l'étude de la propagation des ondes radio 

Il est essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un satellite.
Cela permet par exemple :

  • Le calcul de la puissance minimale d'un émetteur de radiodiffusion afin d'assurer une réception confortable sur une zone déterminée ;

  • la détermination de la position d'un relais pour la radiotéléphonie mobile ;

  • l'estimation des chances d'établissement d'une liaison transcontinentale sur ondes courtes ;

  • l'étude des phénomènes d'interférence entre émetteurs ;

  • le calcul du champ électromagnétique à proximité d'un équipement d'émission (radar, relais, émetteur de télévision...) pour déterminer les risques encourus par la population se trouvant à proximité.

Le niveau du signal reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable en fonction de la fréquence d'émission, l'époque par rapport au cycle solaire, la saison, l'heure du jour, la direction et la distance entre l'émetteur et la station réceptrice, etc. L'étude des lignes de transmission et des phénomènes de propagation d'un signal dans une ligne peut aider à optimiser les câbles utilisés dans l'établissement d'un réseau de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne.

 

Dans l'espace

  • Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace

Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang se propagent comme des cercles concentriques. L'onde radio émise par l'antenne isotropique (c'est-à-dire rayonnant de façon uniforme dans toutes les directions de l'espace) peut être représentée par une succession de sphères concentriques. On peut imaginer une bulle se gonflant très vite, à la vitesse de la lumière c, très proche de 300 000 km/s. Au bout d'une seconde, la sphère a 600 000 km de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une sphère.

Dès que l'onde électromagnétique s'est suffisamment éloignée de sa source (à une distance de l'ordre de la longueur d'onde), on peut la considérer comme constituée par l'association d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H. Ces deux champs oscillants sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à 377 ohms. La connaissance de l'un entraine la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit en général l'amplitude de l'onde par l'amplitude de son champ électrique.

Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura parcouru une distance lambdaappelée longueur d'onde. La longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation ; pour une fréquence donnée, elle dépend de la vitesse de propagation de l'onde.

On appelle polarisation d'une onde radio la direction du champ électrique. Par exemple, une antenne filaire verticale émettra une onde polarisée verticalement, c'est à dire avec un champ E vertical. Mais on peut trouver des ondes dont le sommet du vecteur E décrit une ellipse: La polarisation est elliptique. Une onde à polarisation elliptique peut être considérée comme la superposition des deux ondes "linéaires" polarisées à 90° l'une de l'autre.

  • Variations du champ électrique

Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène, dans le vide, par exemple. Dans ce cas, la puissance transportée par l'onde par unité de surface est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source.( dès que l'on atteint une distance dite de Fraunhofer) Le champ électrique de l'onde est, lui, inversement proportionnel à la distance: le champ est divisé par deux si on se trouve deux fois plus loin.

Pour calculer le champ à une distance D de l'antenne, il est important de définir si E désigne l'amplitude maximale du champ , ou bien la valeur efficace du champ. Il faut également définir l'antenne : doublet électrique élémentaire, dipôle demi-onde, antenne isotrope,etc..

Si P est la puissance ( non modulée) appliquée à un doublet électrique élémentaire, la valeur maximum du champ électrique E rayonné en un point situé à une distance D de cette antenne, perpendiculairement à l'antenne (sens du vecteur de Poynting), est donnée par la relation :


avec k = 90
Eo en V/m; P en W; D en m.
(Voir bibliographie : Goudet)

Ainsi, une puissance de 10W appliquée à ce doublet produira un champ d'amplitude maximum de 1 mV/m à une distance de 30 km, ce qui, en radioélectricité, n'est pas un champ négligeable.
Si on considère non plus un doublet électrique élémentaire ( qui n'a pas d'existence réelle) mais un dipôle demi-onde, le coefficient k sera égal à 98. Si on considère une antenne isotrope ( voir ci-dessous) , alors k = 60.

On utilise souvent, notamment en CEM, le concept d'antenne isotrope. Les calculs de champ sont d'abord effectués en fonction de l'antenne isotrope. On corrige ensuite le calcul en tenant compte du gain réel , en dB/iso, de l'antenne. Si on considère une source isotrope rayonnant une puissance P ( on dit alors que P est la P.I.R.E.), et si on considère le champ efficace (champ max divisé par racine de 2) alors on a la relation suivante :

Ainsi, une puissance non modulée de 10 W appliquée à une antenne isotrope produira un champ E efficace de 5,7 V/m à une distance de 3 m.

Toutes ces relations ne sont valables que pour D suffisamment grand, dans la zone dite zone de Fraunhofer des éléments rayonnants. Cette zone commence à une distance de l'ordre de la longueur d'onde pour les antennes petites , mais peut être nettement plus éloignée pour les antennes à fort gain.

Dans les conditions réelles de propagation, on aura presque toujours des obstacles à proximité du trajet de l'onde, ou des éléments qui pourront provoquer des réflexions. En particulier, comme la terre est ronde, il y aura toujours une distance à laquelle la source d'émission n'est plus en visibilité de l'antenne de réception. Par exemple, en terrain plat, si les antennes d'émission et de réception sont distantes de 30 km, il faudra qu'elles soient à 15 mètres au-dessus du sol pour obtenir la visibilité optique . Et même dans ce cas, il y aura déjà une atténuation aux fréquences basses, du fait que l'ellipsoïde de Fresnel n'est pas dégagé aux fréquences basses.

Il faudra alors compter sur le phénomène de diffraction pour recevoir un signal, à moins que l'on soit dans le cas de réflexions ionosphériques (voir plus loin).

Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimale de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain de l'antenne et du confort d'écoute souhaité. Dans le cas des transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le taux d'erreur requis pour la transmission.

  • Atténuation entre deux antennes

Dans le cas de la propagation en espace libre, c'est-à-dire ellipsoïde de Fresnel dégagé, et si les deux antennes ont même polarisation, il est possible de connaître le niveau de puissance reçu par une antenne de réception , en fonction de la distance à l'antenne d'émission et de la puissance de l'émetteur. Si l'antenne d'émission et l'antenne de réception sont isotropes ( gain 0db iso) , l'atténuation entre les deux antennes est:
A = 22dB + 20 log ( D/ lambda)

Par exemple, si une antenne isotrope reçoit de la part de l'émetteur une puissance PE de 10 W, à une fréquence de 150 MHz, on peut calculer ce que recevra une autre antenne isotrope placée à 1km:
lambda = 2m
PE = 10 w = 40 dBm
A= 22dB +20 log ( 1000/2) = 76 dB
PR = 40 dBm - 76 dB = -36 dBm

Ces formules avec l'antenne isotrope hypothétique permettent les calculs avec des antennes réelles, en tenant alors compte du gain /iso de celles -ci.

Pour plus de précisions, voir équation des télécommunications

 

Phénomènes de propagation des ondes radio   

Une onde radio se distingue d'un rayonnement lumineux par sa fréquence : quelques dizaines de kilohertz ou gigahertz pour la première, quelques centaines de térahertz pour la seconde. Évidemment l'influence de la fréquence de l'onde est déterminante pour sa propagation mais la plupart des phénomènes d'optique géométrique (réflexion...) s'appliquent aussi dans la propagation des ondes hertziennes. Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe.

 

Réflexion des ondes radio   

Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau, un mur ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux comme elle le ferait sur un miroir. Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère. La réflexion d'une onde est plus généralement diffuse, l'onde se réfléchissant dans plusieurs directions ainsi qu'un rayon lumineux frappant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de façon similaire.

 

Réfraction des ondes radio 

Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfraction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la propagation ionosphérique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.

 

Diffraction des ondes radio 

Lorsqu'une onde rencontre un obstacle de grande dimension par rapport à la longueur d'onde, celle-ci pourra être arrêtée par cet obstacle. Ce sera le cas d'une colline, d'une montagne, etc... Cependant, dans une certaine mesure, l'onde pourra contourner l'obstacle et continuer à se propager derrière celui-ci, à partir des limites de cet obstacle. Ainsi, une onde ne sera pas entièrement arrêtée par une montagne, mais pourra continuer à se propager à partir du sommet de la montagne, vers la plaine qui se trouve derrière... Ce franchissement de l'obstacle se fera avec une atténuation, parfois très importante.
Pour connaître l'atténuation supplémentaire apportée par l'obstacle, il faudra considérer "l'ellipsoïde de Fresnel"

En pratique, les calculs sont difficiles, et on utilise des logiciels de prévision de propagation.
La diffraction sera plus importante pour les fréquences basses : un émission kilométrique ( de quelques centaines de KHz) n'aura pas de difficulté pour franchir une montagne, alors qu'une émission décimétrique sera pratiquement arrêtée. Une émission centimétrique sera arrêtée même par une petite colline.

 

Diffusion des ondes radio 

Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas des couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonnées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forêts, constructions...) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longueur d'onde et les dimensions des obstacles ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou les zones ionisées de la haute atmosphère lors des aurores polaires.

Interférence de deux ondes radio

Il faut distinguer le brouillage occasionné par deux signaux indépendants, mais possédant des fréquences très proches, du phénomène d'interférence apparaissant lorsque l'onde directe rayonnée par un émetteur est reçue en même temps qu'une onde réfléchie. Dans ce dernier cas, les temps de parcours des deux ondes sont différents et les deux signaux reçus sont déphasés. Plusieurs cas peuvent alors se présenter :

  • déphasage égal à un multiple de la période : les signaux sont en phase et se renforcent mutuellement. Leurs amplitudes s'ajoutent.

  • déphasage d'un multiple d'une demi-période : les signaux sont en opposition de phase et l'amplitude du plus faible se déduit de celle du plus fort. Si les deux signaux ont la même amplitude, le niveau du signal résultant est nul.

  • déphasage quelconque : l'amplitude du signal résultant est intermédiaire entre ces deux valeurs extrêmes.

Les phénomènes d'interférences peuvent être très gênants lorsque le temps de parcours de l'onde indirecte varie : l'amplitude du signal reçu varie alors à un rythme plus ou moins rapide. Le phénomène d'interférence est utilisé dans des applications couvrant de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniométrie, ...
Le phénomène d'interférence est particulièrement gênant dans le cas des transmissions de signaux numériques: en effet, dans ce cas on pourra observer un taux d'erreurs sur les bits ( BER) important. En transmissions numériques , on parlera alors de d'interférences par trajets multiples. On peut distinguer les cas suivants:

- Si la différence temporelle entre les trajets est inférieure à la durée d'un symbole numérique ( moment) , l'interférence se traduira par des variations de niveaux du signal radio reçu.
- Si la différence temporelle entre les trajets est supérieure à la durée des moments, on aura une distorsion du signal démodulé.

Pour réduire ces phénomènes, on utilise aujourd'hui pour certains systèmes radio à haut débit le codage par "étalement de spectre".

Effet Faraday

Lorsqu'une onde radio se propage dans un milieu ionisé , comme la ionosphère, sa direction de polarisation tourne. Pour cette raison, les télécommunications spatiales qui traversent la ionosphère utilisent une polarisation circulaire, afin d'éviter que l'onde reçue par l'antenne de réception n'ait une polarisation croisée avec cette antenne,ce qui produirait un évanouissement de la liaison.

Propagation en fonction de la gamme de fréquence 

Ondes kilométriques 

Elles se propagent principalement à très basse altitude, par onde de sol. Leur grande longueur d'onde permet le contournement des obstacles. Pour une même distance de l'émetteur, le niveau du signal reçu est très stable. Ce niveau décroît d'autant plus vite que la fréquence est élevée. Les ondes de fréquence très basse pénètrent un peu sous la surface du sol ou de la mer, ce qui permet de communiquer avec des sous-marins en plongée.
Applications courantes : radiodiffusion sur Grandes Ondes (France-Inter, RTL...), diffusion des signaux horaires (horloges radio-pilotées)... La puissance de ces émetteurs est énorme : souvent plusieurs mégawatts pour obtenir une portée pouvant aller jusqu'à 1000 km.

Ondes hectométriques 

Les stations de radiodiffusion sur la bande des Petites Ondes (entre 600 et 1500kHz) ont des puissances pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts. Elles utilisent encore l'onde de sol pour couvrir une zone ne dépassant guère une région française mais bénéficient après le coucher du soleil des phénomènes de propagation ionosphérique.

Ondes décamétriques 

Les ondes courtes, bien connues des radioamateurs, permettent des liaisons intercontinentales avec des puissances de quelques milliwatts si la propagation ionosphérique le permet car l'onde de sol au-dessus de 2 ou 3 MHz ne porte guère au-delà de quelques dizaines de kilomètres. Entre 1 et 30 MHz, la réflexion des ondes sur les couches de l'ionosphère permet de s'affranchir du problème de l'horizon optique et d'obtenir en un seul bond une portée de plusieurs milliers de kilomètres. Mais ces résultats sont très variables et dépendent des modes de propagation du cycle solaire, de l'heure de la journée ou de la saison. Les ondes décamétriques ont cédé le pas aux satellites même si des calculs de prévision de propagation permettent de prédire avec une bonne fiabilité les heures d'ouverture, les fréquences maxima utilisables et le niveau du signal qui sera reçu.

Ondes métriques 

Les ondes métriques correspondent à des fréquences comprises entre 30 et 300 MHz incluant la bande de radiodiffusion FM, les transmissions VHF des avions, la bande radioamateur des 2m... On les appelle aussi ondes ultra-courtes (OUC). Elles se propagent principalement en ligne droite mais réussissent à contourner les obstacles de dimensions ne dépassant pas quelques mètres. Elles se réfléchissent sur les murs, rochers, véhicules et exceptionnellement sur des nuages ionisés situés dans la couche E, vers 110 km d'altitude ce qui permet des liaisons à plus de 1000 km. En temps normal, la portée d'un émetteur de 10 watts avec une antenne omnidirective est de quelques dizaines de kilomètres.
Mais il arrive que l'indice de réfraction pour ces fréquences fasse s'incurver vers le sol une onde qui se serait perdue dans l'espace. Pour que cette courbure ait lieu, il faut que l'indice de l'air soit plus faible en altitude, ce qui est presque toujours le cas, du fait de la diminution de pression. Ainsi, quand on cherche à calculer l'horizon radioélectrique, on prend un rayon terrestre fictif de 8400 km, plus grand que la réalité. Mais si en plus, l'air est plus chaud en altitude, cette courbure augmente et peut être supérieure à la courbure de la terre; l'onde arrive alors à se propager très au-delà de l'horizon radioélectrique. Des liaisons à quelques centaines de kilomètres sont alors possibles. Les conditions météorologiques particulièrement favorables : inversion de température avec brouillard au sol ( canal de propagation à quelques centaines de mètres d'altitude, propagations en UHF en hiver), apparition d'un front chaud météorologique, 24 heures avant une perturbation ( canal de propagation entre 1000 et 3000m d'altitude, distances possibles au-delà de 1000km), nuit fraîche au sol et temps très calme comme certaines matinées d'automne... si la courbure suivie par l'onde est égale à la courbure de la terre, l'onde reste confinée à une certaine altitude, et seules les antennes situées à cette altitude subissent ce phénomène. Par contre, en milieu de journée ensoleillée, l'air peut être beaucoup plus chaud près du sol, et la courbure est réduite: on observe alors un déficit de propagation, et une portée réduite au-delà de la centaine de km.
Certains radioamateurs effectuent des liaisons à grandes distances en profitant de la réflexion des ondes métriques sur les traces ionisées par les chutes de météorites et aussi sur les zones ionisées associées aux aurores polaires.

Ondes décimétriques et hyperfréquences

Plus sa fréquence augmente, plus le comportement d'une onde ressemble à celui d'un rayon lumineux. Les faisceaux hertziens permettent des liaisons à vue, comme le Télégraphe de Chappe, mais par tous les temps et avec des débits d'informations des milliards de fois plus élevés. Des obstacles de petites dimensions peuvent perturber la liaison ( voir ellipsoïde de Fresnel) . Ces ondes se réfléchissent facilement sur des obstacles de quelques mètres de dimension ; ce phénomène est exploité par les radars, y compris ceux utilisés aux bords des routes. C'est grâce aux réflexions sur les bâtiments qu'il est possible d'utiliser un téléphone portable sans être en vue directe de l'antenne du relais, mais les interférences entre ondes réfléchies rendent la communication difficile, obligeant l'utilisateur à changer d'endroit ou à se déplacer de quelques mètres simplement. Sur 10 GHz avec une puissance de quelques watts et des antennes paraboliques de moins d'un mètre de diamètre, il est possible d'effectuer des liaisons à plusieurs centaines de kilomètres de distance en se servant d'une montagne élevée comme réflecteur. Au-dessus de 10 gigahertz, le phénomène de diffusion peut se manifester sur des nuages de pluie (rain scatter), permettant à l'onde d'atteindre des endroits situés au-delà de l'horizon optique (sur des distances pouvant aller jusqu'a 800-900Km en 10Ghz!). Ces phénomènes météorologiques peuvent également provoquer une atténuation: Sur les ondes centimétriqus, une forte pluies peut même interrompre une liaison . La réception TV satellite est ainsi parfois interrompue .

Comme pour les ondes métriques, la propagation en hyperfréquences peut être perturbée par la variation de l'indice de l'air. On pourra observer des portées de plusieurs centaines de km quand l'onde rencontrera une diminution de l'indice de l'air ( inversion de température par exemple) ; le phénomène est le même que pour les ondes métriques, mais comme le phénomène de guidage troposphérique implique des couches d'air d'au moins une centaine de longueur d'ondes d'épaisseur, on pourra observer parfois des propagations en hyperfréquence et pas en ondes métriques. Ces phénomènes de propagation anormales sont considérés comme des perturbations pour les systèmes de faisceaux hertziens, car ils peuvent donner lieu à des évanouissements, par exemple si le faisceau est dévié dans une autre direction que celle du récepteur. Par ailleurs, on observera souvent plusieurs trajets de l'onde, ce qui conduira encore à des évanouissements par trajets multiples, ou à des distorsions très dommageables pour les FH du fait de leur modulation numérique.
Du fait des phénomènes troposphériques, on définit pour une liaison à FH le pourcentage de temps pour lequel la liaison est garantie.

 

Prévisions de propagation 

Le niveau du signal émis par une station d'émission (émetteur et antenne) en un point de l'espace (ou de la surface de la Terre) peut être calculé avec une bonne précision si les principaux facteurs déterminant la transmission sont connus. À titre d'exemple prenons deux cas : liaison en vue directe sur 100 MHz et liaison à grande distance sur 10 MHz utilisant une réflexion sur la couche E. Nous n'effectuerons évidemment pas ici les calculs.

Liaison directe sur 100 MHz 

On connaît :

  • La puissance de sortie de l'émetteur ;

  • Le diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission et en particulier le gain de celle-ci dans la direction qui nous intéresse et sa hauteur par rapport au sol ;

  • Le profil du terrain entre la station d'émission et le point de réception, tenant compte de la rotondité de la Terre ;

  • La distance entre émetteur et point de réception ;

Des logiciels plus ou moins sophistiqués permettent de faire rapidement ce genre de calcul qui peut éventuellement tenir compte de la conductivité du sol, des possibilités de réflexion, etc.
Si on ajoute les caractéristiques de la station de réception (antenne + récepteur), on pourra alors calculer le bilan de liaison, qui donnera la différence de niveau entre le signal utile et le bruit radioélectrique.

Liaison utilisant une réflexion sur la couche E 
Les informations nécessaires sont:

  • La puissance de l'émetteur ;

  • le diagramme de rayonnement de l'antenne ;

  • la position géographique de chacune des deux stations mais aussi ;

  • la capacité de la couche E à réfléchir les ondes radio.

C'est le nombre de Wolf (ou Sun Spot Number, en abrégé : « SSN »), mais aussi la date et l'heure du jour de la tentative de liaison qui permettra au logiciel de calculer les possibilités de propagation ionosphérique. On connaîtra la probabilité d'établissement de la liaison en fonction de la fréquence pour un rapport signal sur bruitdonné.

Propagation guidée 

Pour transporter de l'énergie à haute fréquence d'un point à un autre, on n'utilise pas une rallonge électrique ordinaire mais une ligne de transmission aux caractéristiques appropriées. Une ligne peut être constituée soit par un guide d'onde, tube métallique à l'intérieur duquel se propage l'onde, soit par une ligne en "mode TEM" , constituée en général par deux conducteurs parallèles. La ligne TEM est composée de deux conducteurs électriques parallèles séparés par un diélectrique, très bon isolant aux fréquences utilisées (air, téflon polyéthylène...). Si l'un des conducteurs est entouré par l'autre, on parle alors de ligne coaxiale.
Une ligne de transmission est censée ne pas rayonner. Cette condition est en pratique satisfaite avec un câble coaxial. Avec une ligne bifilaire, la distance entre les deux conducteurs doit être très petite par rapport à la longueur d'onde, et aucun obstacle ne doit se situer à proximité des deux conducteurs.
Aux hyperfréquences, on utilisera un guide d'onde qui, à longueur égale, aura moins de pertes qu'un câble coaxial.

Exemples de lignes de transmission

  • De l'émetteur à l'antenne on utilisera un câble coaxial pouvant supporter des tensions de plusieurs centaines ou milliers de volts sans claquage électrique.

  • Entre l'antenne parabolique et le récepteur de télévision par satellite les signaux de faible amplitude seront transportés par un câble coaxial présentant de faibles pertes à très haute fréquence.

  • L'antenne d'un radar utilisé pour le contrôle aérien est reliée aux équipements de détection à l'aide d'un guide d'onde, tuyau métallique à l'intérieur duquel se déplace l'onde.

  • Sur ondes courtes les radioamateurs utilisent parfois des lignes bifilaires pour alimenter leur antenne.

  • Sur un circuit imprimé, une piste au-dessus d'un plan de masse est une ligne transmettant le signal d'un point du circuit à un autre.

  • Une fibre optique n'est rien d'autre qu'une ligne de transmission pour une onde optique.

Propagation d'une onde dans une ligne 

Un générateur relié à une charge à l'aide d'une ligne va provoquer dans chacun des deux conducteurs de la ligne l'établissement d'un courant électrique et la formation d'une onde se déplaçant dans le diélectrique à une vitesse très grande. Cette vitesse est inférieure à la célérité de la lumière mais dépasse fréquemment 200 000 km/s, ce qui implique que, pour une fréquence donnée, la longueur de l'onde dans la ligne est plus petite que dans l'espace.
(longueur d'onde = célérité dans le milieu / fréquence )
Dans une ligne coaxiale, la vitesse de propagation est la même quelle que soit la fréquence, on dit que la ligne n'est pas dispersive. Le problème est différent dans le cas de la propagation dans un guide d'ondes: Bien que la vitesse de propagation de l'énergie soit toujours inférieure à celle de la lumière,celle-ci dépend de la fréquence, et on constate par ailleurs que la longueur d'onde dans le guide est plus grande que dans l'air : Un guide d'onde est dispersif. Ce phénomène peut poser des problèmes dans le cas d'émissions large bande numériques: si le signal transporté est large bande, les fréquences aux deux extrémités du spectre du signal n'arriveront pas en même temps au récepteur , et il y aura distorsion ( distorsion de temps de propagation de groupe)

Ondes progressives 

Lorsque la ligne est parfaitement adaptée à la charge, condition remplie lorsque l'impédance d'entrée de la charge est égale à l'impédance caractéristique de la ligne, cette dernière est parcourue seulement par des ondes progressives. Dans ce cas idéal la différence de potentiel entre les conducteurs et le courant qui circule dans ceux-ci ont la même valeur quel que soit l'endroit où la mesure est effectuée sur la ligne.

Ondes stationnaires 

Si la condition évoquée précédemment n'est pas remplie, ce qui arrive si l'impédance de la charge est différente de l'impédance caractéristique de la ligne, Une partie de l'énergie qui arrive sur la charge va être réfléchie, et une onde va se propager dans l'autre sens. La ligne va alors être le siège d'ondes stationnaires, interférences entre l'onde directe et l'onde réfléchie. La tension mesurable entre les deux fils ne sera plus constante sur toute la longueur de la ligne et vont apparaître :

  • des maxima de tension encore appelés ventres de tension correspondants à des nœuds de courant

  • des minima de tension ou nœuds de tension associés à des maxima de courant (ventres de courant).

Ce type de fonctionnement est généralement redouté si le taux d'ondes stationnaires (TOS) est élevé. Les surtensions correspondant aux ventres de tension peuvent endommager l'émetteur, voire la ligne. Les pertes par réflexion sur la charge sont élevées, et l'énergie émise par la source va revenir sur celle-ci.
On peut utiliser des lignes en court-circuit ou ouvertes pour réaliser des résonateurs et des filtres. Le TOS élevé signifiera un Q élevé pour le résonateur.

Pertes dans la ligne 

La résistance électrique (non nulle) des conducteurs constituant la ligne et l'isolement (non infini) du diélectrique, provoquent un affaiblissement de l'amplitude de l'onde progressive parcourant la ligne.
Ces pertes ont un double inconvénient :

  • affaiblissement du signal reçu et diminution de la sensibilité du système de réception.

  • réduction de la puissance transmise à l'antenne par l'émetteur.

Les pertes en ligne s'expriment en dB/m (décibel/mètre de longueur) et dépendent de nombreux facteurs :

  • nature du diélectrique (matière, forme...)

  • type de ligne (bifilaire ou coaxiale)

  • fréquence de travail

Exemple : un câble coaxial très commun (ref. RG58A) d'une longueur de 30 mètres présente 6dB de pertes à 130MHz.A cette fréquence, si l'on applique une puissance de 100 watts à l'entrée de cette ligne on ne retrouvera que 25 watts à son extrémité, avec une perte de 6dB. À la fréquence de 6MHz on retrouvera 95 watts et la perte n'est plus que de 1 décibel.
Les pertes, si elles sont exprimées en décibels, sont proportionnelles à la longueur de la ligne.

Sources naturelles 

Les champs électriques et magnétiques terrestres sont des champs continus générés par les charges électriques présentes dans l'atmosphère (champ électrique), ou par les courants magmatiques, l'activité solaire et atmosphérique (champ magnétique). Ces champs sont de l'ordre de 100-150 V/m pour le champ électrique atmosphérique (il peut atteindre 20 kV/m sous un orage), et environ 40 µT pour le champ magnétique. A cela se rajoutent des champs naturels alternatifs de valeur très faible : 1 mV/m à 50 Hz, 0,013 à 0,017 µT avec des pics à 0,5 µT lors d'orages magnétiques (champs de fréquence supérieure à 100 kHz).
Le rayonnement solaire et stellaire produit des ondes électromagnétiques, relativement très faibles par rapport au rayonnement artificiel : environ 10 pW/cm².
Les cellules vivantes génèrent des champs électriques et magnétiques très faibles : on observe des niveaux de tension de 10 à 100 mV, 0,1 pT à la surface du corps et dans le cerveau, 50 pT dans le coeur.

Sources artificielles basse fréquence 

Les principales sources artificielles de champ électrique et magnétique sont les lignes haute tension, d'une fréquence de 50-60 Hz, et des appareils électroménagers BF (tels que les plaques à induction).

Sources artificielles dans le domaine des radiofréquences (10 kHz à 300 GHz) 

Les principales sources de pollution électromagnétiques actuelles sont :

  • les dispositifs médicaux : radiographie, IRM, médecine nucléaire ;

  • les dispositifs industriels de mesure, de stérilisation, de production d'électricité ;

  • les réseaux de télécommunications : publics de téléphonie mobile (GSM, UMTS), privés (analogiques, TETRA, ACROPOL), antennes relais, réseaux informatiques (Wi-Fi, CPL, UWB, WIMAX), radiophoniques, audiovisuels (analogiques, TNT, satellitaires), identification (RFID) ;

  • l'effet couronne sur les lignes à haute tension ;

  • les radars (militaires, aériens) ;

  • les appareils électroménagers et électroniques grand public (fours à micro-ondes, tubes cathodiques des téléviseurs, des ordinateurs).

Depuis quelques années, le niveau de pollution électromagnétique augmente pour les radiofréquences ceci est dû au développement des communications par radio générant un niveau de pollution sans commune mesure avec les appareils électriques et électroniques qui se plient eux à des normes de compatibilité électromagnétique drastiques concernant leur niveau d'émission.
Le niveau maximal toléré par les normes pour un ordinateur est d'environ 100 µV/m mesuré à 10 m, soit 1 mV/m à 1 m, c'est-à-dire à peu près le niveau que produit une station de base GSM à plus de 100 km.

Effets

Effets ionisants 

Un rayonnement électromagnétique est dit ionisant à partir du moment où il possède suffisamment d'énergie pour arracher des électrons aux atomes exposés. C'est le cas pour les rayonnements dans la partie haute du spectre électromagnétique (rayons ultraviolets, rayons X, rayons gamma, rayons cosmiques). Suivant la dose absorbée, les effets peuvent être graves aussi bien pour un organisme biologique que pour un appareillage électronique. L'exposition est en grande partie naturelle (rayonnements cosmiques, radon et autres radioéléments naturels), mais aussi d'origine humaine (imagerie médicale, médecine nucléaire, retombées des essais nucléaires, rejets de l'industrie nucléaire ).
Le seuil d'ionisation est défini arbitrairement à 10 keV. Le rayonnement ultraviolet, bien que d'énergie relativement faible (750 THz à 30 PHz), peut sous certaines conditions être ionisant.

Effets photochimiques 

Les effets photochimiques sont causés par l'interaction entre la lumière et la matière. Les effets biologiques de ces rayonnements, bien que moins énergétiques que les rayonnements ionisants, peuvent être importants pour les parties exposées : peau (coup de soleil, cancer de la peau, vieillissement), yeux (photokératite, cataracte, brûlures de la rétine ou de la cornée). L'exposition est essentiellement naturelle (soleil), elle peut aussi être artificielle (lampe à rayons ultraviolets, laser).

Effets thermiques 

Le rayonnement électromagnétique des micro-ondes et des ondes radio a un effet thermique sur la matière, principalement en surface. Ce principe est notamment utilisé dans les fours à micro-ondes. Ces rayonnements sont essentiellement issus de sources artificielles (télécommunications, radars, fours à micro-ondes, transmission d'énergie). Des sources naturelles telles que le bruit cosmique existent également.

Propriétés des radiofréquences : Les effets thermiques

Les champs de radiofréquences compris entre 1 MHz et 10 GHz (radars, micro-onde, GSM et station de base, ondes TV, ondes radio) pénètrent à l'intérieur des tissus exposés et y provoquent un échauffement dû à l'absorption d'énergie par les molécules d'eau. Il en résulte une élévation de la température de ces tissus. Les effets des radiofréquences sont qualifiés de thermiques (WHO, 1999).

Les champs dont la fréquence est inférieure à 1 MHz ont une intensité trop faible pour provoquer un échauffement significatif. Les effets de ces champs sont non thermiques (WHO, 1998).

Les champs électromagnétiques de fréquence 50 Hz (extrêmement basses fréquences) n'ont pas d'effet thermique.

Hyper sensibilité électromagnétique 

La HSEM serait un trouble sanitaire généré chez certaines personnes par l'exposition à de faibles niveaux de champ électromagnétique. Suivant les études et les pays, 0 à 10 % de la population serait touchée par ce trouble. Ces patients développent dans 90 % des cas des symptômes bénins et dans 10 % des cas des symptômes handicapants pour la vie quotidienne. Des études en laboratoire n'ont pas permis de démontrer une corrélation biologique entre les champs électromagnétiques et la HSEM. L'OMS préconise une approche environnementale (stress, qualité de l'air, conditions de travail), psychologique et psychiatrique pour le traitement de ce trouble.

 

Effets sur les appareils électroniques 

Article connexe : Compatibilité électromagnétique.
Les champs magnétiques et électriques génèrent des courants et des tensions dans les appareils électroniques (de même que dans les organismes vivants). Certains effets sont liés au courant, d'autres à la tension et d'autres à la puissance absorbée, et la fréquence est un paramètre important sur les effets. Ils peuvent provoquer des perturbations, conduisant dans certains cas à un dysfonctionnement (dégradation des performances, erreur de mesure ou blocage).

Dangers et risques des champs électromagnétiques de faible puissance 

Même si les réglementations en vigueur imposent l'utilisation des appareils électroniques en deçà des effets connus de l'électromagnétisme, tels que l'effet thermique pour les ondes radio et micro-ondes, les dangers d'une exposition pour de faibles puissances ne sont pas à ce jour démontrés scientifiquement. Malgré cela, de nombreuses études de risque ont été lancées afin de déterminer une probabilité de risque sanitaire ou environnemental des champs électromagnétiques. On distingue les études sur le danger électromagnétique effectuées en laboratoire des études épidémiologiques.

Dangers biologiques 

Certains craignen que l'exposition chronique des individus ou des fœtus à un smog électromagnétique croissant puisse affecter la santé, en raison notamment de l'effet des micro-ondes sur les cellules et d'éventuels effets sur la régulation interne des échanges intra et inter-cellulaires, notamment régulés par des échanges d'ions, qui comme les influx nerveux font intervenir des phénomènes électriques (différences de potentiel d'énergie au travers des parois cellulaires). Cancers

 

Classification par type de mesure  

Analyseur de spectre électrique  

Un analyseur de spectre électrique permet la mesure de la tension de signaux électriques dans le domaine fréquentiel. Les mesures peuvent aller de quelques dixièmes de Hz à 60 GHzAnalyseur de réseau  

Un analyseur de réseau est un analyseur de spectre électrique équipé d'un générateur de signaux, permettant ainsi l'analyse fréquentielle des lignes de transmission.

Analyseur de champ électromagnétique   
Un analyseur de champ électromagnétique permet la mesure des champs magnétique et électrique issus de matériels électroniques, afin notamment de respecter les normes de Compatibilité électromagnétique

Spectromètre 
Un spectromètre est un analyseur de spectre de signaux optiques, il est utilisé en chimie pour identifier la composition physique de matériaux, en laboratoire pour élaborer des diodes électromuniscentes.

Spectrogramme  
Un spectrogramme est un analyseur de séquences audio, il peut être utilisé pour de l'analyse musicale, ou pour déterminer la signature vocale/reconnaissance vocale.

 

 

Pour un sympathique complément en pdf, empli de formules.

http://perso.univ-rennes1.fr/denis.rouede/teaching/BBM/BBM.pdf

ELECTRODYNAMIQUE CLASSIQUE ET QUANTIQUE Université Paris-Sud Orsay, Master de Physique, P-F&A-452A. Un plein de formule et de développements

Lien internet :

la matière est faite d'onde, glafrenière http://www.glafreniere.com/matiere.htm. , © Gabriel Lafrenière, juin 2002.