Le Spectre Electromagnétique
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Présentation
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uOrganisation du spectre (vue réduite)
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uLes équations de Maxwell
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Présentation du spectre électromagnétique à l'attention de tous et toutes.

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Présentation du spectre_électromagnétique

  1. 1. Le Spectre Electromagnétique Le Spectre Electromagnétique Présentation LeSpectre Electromagnétique 1 David Malinvaud Sr Project Manager david.malinvaud@gmail.com DavidMalinvaud 24/03/2014
  2. 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 2 DavidMalinvaud 24/03/2014
  3. 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. LeSpectre Electromagnétique 3 Champ magnétique (B) Direction Distance Longueur d’onde Champ électrique (E) DavidMalinvaud 24/03/2014
  4. 4. LeSpectre Electromagnétique 4 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. DavidMalinvaud 24/03/2014
  5. 5. 5 LeSpectre Electromagnétique Fig.1 Fig.2 DavidMalinvaud 24/03/2014
  6. 6. LeSpectre Electromagnétique 6 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 DavidMalinvaud 24/03/2014
  7. 7. LeSpectre Electromagnétique 7 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. DM_EM_PART1&2_24032014 24/03/2014
  8. 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). LeSpectre Electromagnétique 8 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 DavidMalinvaud 24/03/2014
  9. 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. LeSpectre Electromagnétique 9 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 DavidMalinvaud 24/03/2014
  10. 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. LeSpectre Electromagnétique 10 DM_EM_PART1&2_24032014 24/03/2014
  11. 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. LeSpectre Electromagnétique 11 DavidMalinvaud
  12. 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. LeSpectre Electromagnétique 12 DavidMalinvaud 24/03/2014
  13. 13. uOrganisation du spectre (vue réduite) LeSpectre Electromagnétique 13 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 DavidMalinvaud 24/03/2014
  14. 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. LeSpectre Electromagnétique 14 DavidMalinvaud 24/03/2014
  15. 15. uQuestions?… LeSpectre Electromagnétique 15 DavidMalinvaud 24/03/2014

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