Présentation du spectre électromagnétique à l'attention de tous et toutes.

1. Le Spectre Electromagnétique
Le Spectre Electromagnétique
Présentation
LeSpectre
Electromagnétique
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David Malinvaud
Sr Project Manager
david.malinvaud@gmail.com
DavidMalinvaud
24/03/2014

2. uPartie 1 : présentation du spectre électromagnétique
uElectromagnétisme
Ø Définition
Ø Onde électromagnétiques
Ø Définition
Ø Nature et propagation
Ø Rayonnement
uDéfinition du spectre électromagnétique
Ø Présentation du spectre EM
Ø Déclinaison des ondes électromagnétiques
Ø Cas des radiofréquences
Ø Organisation du spectre (vue reduite)
uPour aller un petit peu plus loin…
uQuestions
LeSpectre
Electromagnétique
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24/03/2014

3. uElectromagnétisme
uDéfinition
Le rayonnement électromagnétique symbolise l'ensemble des radiations émises
par une source (soleil, radar, téléphone portable,…)
uOndes électromagnétiques
uDéfinition
Une onde électromagnétique est composée d’un champ électrique et d’un champ
magnétique oscillant tous deux à la même fréquence. C’est aussi l'ensemble des
fréquences à laquelle peut osciller une onde électromagnétique.
Ces deux champs sont perpendiculaires l’un par rapport à l’autre et se propagent
selon une direction orthogonale dans un milieu; air, espace,…(Maxell-Lorentz).
Les ondes électromagnétiques constituent l’ensemble du spectre électromagnétique.
Elles sont générées par le mouvement d’une charge électrique, tel un courant
électrique (Maxell-Ampère). Elles véhiculent de l’énergie mais pas de matière.
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Champ magnétique (B)
Direction
Distance
Longueur d’onde
Champ électrique (E)
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uNature et propagation
La nature exacte d’une onde électromagnétique est en réalité la propagation, à la
vitesse de la lumière, d'une déformation harmonique des propriétés électriques et
magnétiques de l'espace (cf. Fig.1), consécutive à une excitation. Un parallèle peut
être fait avec l’onde que génère une goutte qui tombe à la surface de l’eau (cf. Fig.2).
A noter que le milieu dans lequel l’onde se propage reprend sa forme initiale après
distorsion. Comme il est à noter que les ondes audio ne se propagent pas dans le vide.
Une onde électromagnétique est caractérisée par trois grandeurs (cf. Fig.3) :
La longueur d’onde ( λ ) : c’est la périodicité de l’oscillation de l’onde dans le temps
ou l’espace. Elle est mesuré entre deux pics successifs, représentant la longueur du
du cycle de l’onde dans l’espace. L’unité est le mètre (m), correspondant à la distance
parcourue par la lumière en 1/3.108 s (1983, Conférence Générale des Poids et
Mesures).
La période ( T ) : c’est le temps que met l’onde pour réaliser un cycle. L’unité est la
seconde (s).
La fréquence ( v ) : c’est l’inverse de la période, elle symbolise le nombre de cycles
par unité de temps. C'est le nombre d'oscillations du champ électromagnétique par
seconde; L’unité est le Hertz (Hz), sachant qu’un Hertz équivaut à une oscillation.
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LeSpectre
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Fig.1
Fig.2
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Electromagnétique
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Les équations incontournables :
On admet que l’onde se propage à la vitesse la lumière, soit c = 3.108m/s.
V = 1 / T
λ = c / v
On constate ainsi que plus la longueur d’onde est faible, plus la fréquence est élevée.
uRayonnement
Le rayonnement électromagnétique symbolise l'ensemble des radiations émises
par une source (soleil, radar, téléphone portable,…).
Période
Fig.3
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7. LeSpectre
Electromagnétique
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uEnergie et photons
Les photons caractérisent les atomes d’une onde électromagnétique. Ils transportent
des quantas, ou paquets, d’énergie (E). Chaque photon transporte ainsi une somme
d'énergie proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique considérée.
L’unité est l’électron-volt (eV).
Les équations incontournables :
On admet la constante de Planck, soit h = 6,625.10-34 J.s.
E est la charge d’énergie véhiculée par l’onde électromagnétique, exprimée en eV.
E = h x v
E = h x c / λ
Les équations montrent que l’énergie véhiculée est d'autant plus grande que la
fréquence est élevée, et que la longueur d’onde est faible. Elles démontrent par
ailleurs que l’énergie transportée par un photon est inversement proportionnelle
à sa longueur d’onde.
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8. uDéfinition du spectre électromagnétique
uPrésentation du spectre EM
Le spectre électromagnétique est constitué de l’ensemble des ondes
électromagnétiques, principalement différenciées par leur longueur d’onde (m)
et l’énergie qu’elles transportent (eV).
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Désignation Bande Longueur d’onde Origine
Tremendously Low
Frequencies
0 Hz à 3 Hz 100.000 km à l’infini Ondes et bruits électromagnétiques
Extremely Low Frequencies 3 Hz à 30
Hz
10.000 km à
100.000 km
Ondes du cerveau humain
Super Low Frequencies 30 Hz à
300 hz
1.000 km à
10.000 km
Ondes électromagnétiques naturelles, ondes
physiologiques humaines, radiocommunications
submaritimes militaires
Ultra Low Frequencies 300 Hz à
3 kHz
100 km à 1.000 km Ondes orages solaires, réseaux électriques
Very Low Frequencies 3 kHz à
30 kHz
10 km à 100 km Radionavigation, radiocommunications
submaritimes militaires, émetteurs de signaux
horaires
Low Frequencies 30 kHz à
300 kHz
1 k à 10 km Radiocommunications maritimes et
submaritimes
Medium Frequencies 300 kHz à
3 MHz
100 m à 1 km Systèmes de navigation, radioamateurs,
radiocommunications maritimes et
aéronautiques
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9. uDéclinaison des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques peuvent être classifiées en plusieurs gammes, différenciées
par leur longueur d’onde et l’énergie qu’elles véhiculent.
Ces gammes correspondent à deux familles de rayonnements :
. Les rayonnements ionisants (RI) : ils sont nocifs pour l’homme s’ils ne sont pas maîtrisés,
comme dans l’imagerie médicale par exemple, et mortels à haute dose ainsi que dans
le cas d’une exposition prolongée. Ils génèrent une ionisation dans la matière vivante.
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Designation Bande Longueur d’onde Emploi
High Frequencies 3 MHz à
30 MHz
10 m à 100 m Radiocommunications militaires et d’ambassade,
transmissions gouvernementales
Ultra High Frequencies 300 MHz à
3 GHz
10 cm à 1 m Transmissions militaires et aéronautiques,
liaisons satellites,, GSM, PCS/DCS, UMTS, Wifi,
Bluetooth, liaisons gouvernementales
Super High Frequencies 3 GHz à
30 GHz
1 cm à 10 cm Systèmes radar, radiodiffusion et télédiffusion
par satellite, Wifi, fours à micro-ondes
Extremely High Frequencies 30 GHz à
300 GHz
1 mm à 1 cm Radioastronomie, expérimentations et
recherches scientifiques, systèmes radar
Tremendously High
Frenquencies
300 GHz à
300 106 THz
1 pm à 1 μm Spectre lumière visible par l’œil humain, Ultra-
violets, rayons X, rayons Gamma
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10. . Les rayonnements non-ionisants (RNI) : ils ne provoquent aucune ionisation dans la
matière vivante même à forte dose.
Nous distinguerons ces gammes d’ondes électromagnétiques comme suit :
uLes rayons cosmiques (RI)
Appelés aussi astroparticules, ce sont des radiations parcourant l’univers, capables de
traverser n’importe quel corps et d’interférer avec l’ADN humain (mutation,
destruction). Leur fréquence est supérieure à 1030 Hz, λ est supérieure à 10-7 μm ;
E = 1020eV.
uLes rayons gamma (RI)
Ces rayons résultent des radiations émises par des éléments radioactifs. Ils sont
hautement chargé d’énergie et traversent aisément la matière. Ils sont dangereux
pour les cellules vivantes. Intervalle λ de 10-7 μm à 10-5 μm ; E = 107eVmax.
uLes rayons X (RI)
Ces rayons sont hautement énergétiques qui peuvent traverser la matière, en étant
cependant moins nocifs que les rayons gamma. On les retrouve dans les domaines de
la médecine (radiographies), et de la sécurité (contrôle des bagages dans le
transport aérien). Intervalle λ de 10-5 μm à 10-2 μm ; E = 2,4.105eVmax.
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Electromagnétique
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11. uLes Ultra-violets (RI)
Connus pour être nocifs pour la peau, ces rayons sont énergétiques mais sont stoppés
en partie par la couche d’ozone qui nous préserve de leur dangerosité. On leur doit la
couleur brunâtre de notre peau après une exposition au soleil. Intervalle λ de
10-2 μm à 0,38 μm ; E = 3.103 eVmax.
uLe domaine visible (RNI)
C’est une bande très étroite du spectre électromagnétique visible de l’œil humain.
On y distingue les couleurs de l’arc en ciel. Intervalle λ de 0,38 μm (violet) à 0,78 μm
(rouge) ; E = 3,2 eVmax.
uL’infrarouge (RNI)
C’est le rayonnement qu’émettent tous les corps dont la température est supérieure à
-273°K (dit zéro absolu). On y distingue les couleurs de l’arc en ciel. Intervalle λ de
0,78 μm à 106 nm ; E = 1,6eVmax.
uLes ondes submillimétriques (RNI)
Ces ondes sont aussi référencées sous le vocable Térahertz. Elles sont utilisées dans le
domaine de l’astronomie pour étudier les sources célestes du rayonnement associé.
L’univers étant constitué avant tout de matière froide, celui-ci n’émet pas de lumière
visible, mais des ondes submillimétriques. Analyser ces ondes permet ainsi d’étudier
tous les corps interstellaires, et de cartographier l’univers. Intervalle λ de 0,1 mm
à 1 mm ; E = 0.00414 eVmax.
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12. uLes micro-ondes (RNI)
Appelées aussi ondes radar ou hyperfréquences, c’est précisément dans cette
famille que l’on retrouve les communications de types Wifi, Bluetooth,
DETC, ainsi que la télédétection et la télémétrie radar. Ces ondes appartiennent
à la gamme des radio-fréquences. Intervalle λ de 1mm à 1cm ; E = 10- 3eVmax.
uLes ondes radio-électriques (RNI)
Ces ondes appartiennent à la gamme des radio-fréquences, et représentent la plus
large bande du spectre électromagnétique (10kHz à 300 GHz). Elles peuvent être
émises et reçues plutôt facilement, émetteur et récepteur ne commandent pas
un niveau de technologie élevé. Intervalle λ > 1cm ; E = 10-5eVmax.
uCas des radiofréquences
Ces ondes représentent la plus large bande du spectre électromagnétique, et vont de 10kHz
à 300GHz. Elles se confondent avec la bande des ondes radioélectriques. Les fréquences
associées aux ondes radiofréquences sont réglementées. Globalement ces ondes sont
susceptibles d’être déviées ou atténuées, selon le milieu dans lequel elles se propagent, ou
selon la matière qu’elles traversent.
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13. uOrganisation du spectre (vue réduite)
LeSpectre
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INFRAREDAUDIO RADIO WAVES
A B C D E F G H I J K L M
MICROWAVES ULTRAVIOLET X-RAYS
VHF
UHF SHF EHF
RADIO FREQUENCY BANDS
VHF UHF L S C X Ku K Ka millimeter
EW & RADAR BAND DESIGNATIONS
VISIBLE LIGHT
λ
F
100m 10m 10cm 1cm 1mm
NATO
BANDS
OLD
BANDS
10Hz 20KHz 100MHz
1km 1m 1nm 1A°
100GHz 100THz 105THz
FREQUENCY (GHz)
0.03 0.25 0.5 1 2 3 4 6 8 10 20 40 60 100
0.78μm 0.6μm 0.5μm 0.4μm
1μm1mm
Γ-RAYS
RADIOELECTRICAL WAVES
10KHz 300GHz
30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz
HFMFLFVLF
30km
1m1km10km30km
RESPONSE OF
THE EYE
Very Low Frequencies
(VLF)
Low Frequencies
(LF)
Medium Frequencies
(MF)
High Frequencies
(HF)
Very High Frequencies
(VHF)
Ultra High
Frequencies (UHF)
Super High
Frenquencies (SHF)
Extremely High
Frequencies (EHF)
300GHz
108THz
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14. uPour aller un petit peu plus loin…
Pour les férus, et pour en savoir plus :
uLes équations de Maxwell
Les équations de Maxwell, ou de Maxwell-Lorentz du fait de faire intervenir la force
électromagnétique (Fem) telle qu’elle est définie par Lorentz, gouvernent la propagation
du champ électromagnétique sous forme d’ondes se déplaçant à la vitesse de la lumière
c = 3.108 m/s dans le vide ; la vitesse de propagation dépendant du milieu parcouru
(phénomène de réfraction).
Elles sont au nombre de quatre :
§ Equation de Maxwell-Gauss ; traite des propriétés du champ électrique généré par
des charges électriques.
§ Equation de Maxwell-Faraday ; traite des propriétés d’un champ magnétique induit
par un champ électrique.
§ Maxwell-Ampère ; traite de la création d'un champ magnétique soit par circulation
d'un champ électrique, soit par variation d'un champ électrique dans le même temps.
§ Maxwell-Flux magnétique ; évoque le fait qu'il n'y a pas de sources magnétiques
comparables aux charges électriques dans le cas du champ électrique.
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15. uQuestions?…
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