Communications

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L'essentiel

Les communications couvrent un très vaste domaine de compétences scientifiques et techniques et nécessitent de tenir compte du milieu dans lequel se propage le signal. Ainsi, dans le vide ou dans l'espace, on ne peut pas envisager une conversation de vive voix, car les sons émis ne se propagent pas sans support. La communication repose toujours sur une transmission d'énergie.

La fiche

L'échange d'une communication, qu'elle soit sonore, visuelle, électronique ou lumineuse correspond au passage d'une information d'un émetteur à un récepteur, en empruntant un milieu de communication. Ainsi, un échange verbal passe par l'émission d'un son par un interlocuteur, qui se propage dans l'air jusqu'aux oreilles de l'autre interlocuteur : le signal est ici de nature acoustique. Il en est de même lorsque deux personnes dialoguent par téléphones portables interposés. Le premier interlocuteur émet un son, qui se propage dans l'air jusqu'au microphone du portable qui convertit le signal acoustique en un signal électrique qui sera lui-même converti en une onde électromagnétique qui pourra se propager sur de grandes distances via le recours à des relais ou des liaisons satellitaires ; la réception du signal par l'autre interlocuteur correspond à la transformation inverse.
Signaux optiques
Dans l'Antiquité, on racontait qu'Archimède mettait le feu aux navires qui attaquaient Syracuse, grâce à des « miroirs ardents » réfléchissant la lumière du Soleil. Au xviie siècle, la notion de rayon de lumière permet le développement de l'optique dite géométrique, c'est-à-dire associée à la propagation rectiligne de la lumière et à l'utilisation des verres et des lunettes d'observation. À la fin du xviie siècle, Römer tentera d'évaluer la célérité de la lumière (il trouve les 2/3 de la valeur actuellement retenue). Plus tard, Huygens et Fermat vont aussi s'intéresser aux propriétés de la lumière. C'est en 1848 que le physicien français Hippolyte Fizeau mesure précisément la vitesse de la lumière, grâce à la méthode de la roue dentée (qui alternativement intercepte ou laisse passer de la lumière à distance).
Propagation de la lumière dans le vide
Fait remarquable, la lumière peut se propager en dehors de tout milieu matériel (dans le vide). La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est fixée à 299 792 458 m/s, soit environ 3 × 108 m/s (le mètre, lui, est défini en fonction de cette vitesse).
Exemple : pour parcourir la distance qui sépare la Lune de la Terre, la lumière met approximativement 1 seconde. De même, sachant que le Soleil est distant de la Terre de 150 millions de km, il faut environ 8 minutes pour que la lumière émise par le Soleil arrive sur la Terre. Lorsque nous l'observons dans le ciel, il n'est en réalité pas tout à fait là où nous l'observons physiquement…
Le caractère rectiligne de la propagation de la lumière a beaucoup d'applications : formation de l'ombre au sol, cadran solaire ou « gnomon », vision non déformée des objets, etc.
Transparence, réfraction et dispersion
Dans un milieu transparent autre que le vide, la célérité de la lumière peut s'écrire c=\frac{c_0}{n}, si c0 désigne la célérité que possède la lumière dans le vide (c'est-à-dire 3 × 108 m\,\cdot\,s−1). n s'appelle l'indice de réfraction du milieu, ou plus simplement l'indice du milieu.
On a n > 1, donc la célérité de la lumière est toujours plus petite dans un milieu (l'air, l'eau, etc.) que dans le vide.
La lumière se propage plus lentement dans l'eau que dans l'air dont l'indice est proche de celui du vide, soit n = 1. Par définition, c=\frac{c_0}{n} donc, comme le rapport de deux célérités est sans dimension, n est sans dimension.
Le phénomène de déviation lumineuse qui apparaît quand la lumière passe d'un milieu transparent à un autre s'appelle la réfraction. Ainsi, un bloc de verre bien taillé peut faire office de loupe ; son indice de réfraction est supérieur à celui de l'air (qui vaut 1). Les verres correcteurs sont donc une application pratique de la réfraction.
L'indice n peut dépendre de la couleur de la lumière qui traverse le milieu transparent. Ce phénomène s'appelle la dispersion lumineuse. En particulier, dans un prisme en verre, on produit une décomposition de la lumière. Si le prisme est éclairé par de la lumière blanche, il en ressort des faisceaux de lumière colorés qui se propagent selon des directions précises. Ainsi, le bleu est dévié vers la base du prisme tandis que le rouge est la couleur la moins déviée.
Exemple : on parle des « feux du diamant » pour qualifier les multiples couleurs que prennent les pampilles des lustres en cristal… Cette irisation provient de la dispersion de la lumière blanche. La dispersion peut aussi être produite par une simple goutte d'eau, comme dans le cas de l'arc-en-ciel.
Couleurs de la lumière et des ondes électromagnétiques
La superposition des lumières colorées s'appelle la synthèse additive des couleurs, elle est intimement liée à la façon dont notre rétine perçoit les couleurs. Ainsi bleu + rouge = magenta, bleu + vert = cyan ; et rouge + vert = jaune. Bleu, rouge et vert sont appelés des couleurs primaires, tandis que jaune, cyan et magenta sont des couleurs secondaires.
La lumière est constituée d'une superposition d'ondes électromagnétiques. À chaque couleur du spectre (de l'arc-en-ciel) correspond une longueur d'onde λ qui est comprise entre 0,4 μm et 0,8 μm pour le domaine visible.
Plus généralement, les signaux de télécommunication sans fil (radio, télévision) peuvent être conçus comme une extension des signaux lumineux. Ce sont des signaux électromagnétiques. Ils ne sont pas visibles, mais se propagent à la même célérité que la lumière visible. On peut leur associer une longueur d'onde, mais elle n'est pas dans le domaine visible. Il est souvent plus fréquent d'associer à la longueur d'onde λ (à exprimer ici en mètres m) une fréquence f (en hertz Hz) définie par f = \frac{c}{\lambda}.
Les ondes lumineuses ou électromagnétiques peuvent se propager dans le vide, en particulier celui situé entre les astres.
Exemple : pour λ = 0,8 μm, la fréquence de la lumière vaut \frac{3\times10^8}{0,8\times10^{-6}} soit environ 4 × 1014 Hz.
Certaines radios (radio FM) émettent sur des fréquences d'environ 100 MHz.
Signaux électriques et acoustiques
Courant et tension
Un courant électrique correspond au déplacement d'électrons libres dans un métal, ou d'ions dans le cas des solutions ioniques. Ce courant a une intensité qui est le débit d'électrons (dans un métal) et qui s'exprime en ampères A.
La tension (en volts V) est l'action qu'il est nécessaire d'appliquer à un circuit pour mettre en mouvement ses électrons libres dans un sens donné.
Un signal électrique peut correspondre à la transmission d'un courant électrique ou d'une tension.
Le plus souvent, dans les dispositifs électriques quotidiens (téléviseur, radio, téléphone portable), ces signaux sont de faible amplitude.
Dans le cas où le courant électrique est très fort, il peut s'accompagner d'une décharge électrique et d'un éclair lumineux.
Ondes acoustiques
Les ondes acoustiques (sonores) correspondent à des vibrations de tranches d'air dans lesquelles nous parlons. Dans le vide, il n'y a aucun son et aucune propagation possible de bruit ou parole. Le son est la manifestation de mouvements rapides d'oscillations des molécules d'air. Nous pouvons les percevoir grâce à notre tympan car il peut lui même osciller en reproduisant les oscillations des couches de l'air.
Le son se propage à environ 340 m/s, beaucoup plus lentement que la lumière.
Exemple : lors d'un éclair, on perçoit d'abord l'éclair lumineux, puis le coup de tonnerre.
Les vibrations des couches d'air peuvent se transmettre à d'autres solides en les faisant vibrer.
Exemples : dans certains films de Western, les Indiens accolent leur oreille au sol à proximité du rail, de manière à capter l'onde sonore qui est aussi responsable de la vibration du sol. Dans une guitare classique, il existe une caisse de résonance pour favoriser la transmission des vibrations de la corde aux molécules d'air.
Élaboration d'un signal de communication
Les télécommunications reposent sur de multiples conversions de signaux de nature électrique, acoustique ou électromagnétique.
Conversion d'un signal acoustique en un signal électrique
A. Bell (1847 - 1922) est un inventeur britannique. Il dépose en 1876 le brevet du téléphone. Il s'agissait d'un appareil qui traduisait les oscillations acoustiques en oscillations électriques, mis au point alors qu'il poursuivait des recherches destinées à faire entendre les sourds. Le niveau sonore se mesure en décibels dB. De nombreux dispositifs mettent en œuvre une conversion de signaux sonores en signaux électriques et inversement : microphone, haut-parleur…
Conversion d'un signal lumineux ou électromagnétique en signal électrique
La conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est appelée effet photovoltaïque.
Cette énergie dépend fortement de la longueur d'onde de la lumière que l'on envisage de capter.
Exemple : dans le cas de la protection d'une maison par détection IR (infrarouge), le rayonnement émis par un homme (énergie thermique ou chaleur correspondant à une émission dans l'infrarouge) est converti dans une celulle photoélectrique en énergie électrique.
Dans le cas de la télévision ou du téléphone portable, ce sont les électrons contenus dans l'antenne qui se mettent à osciller en réponse au signal électrique : il y a émission d'une onde électromagnétique. Inversement, l'onde électromagnétique peut forcer les électrons à osciller dans l'antenne ce qui produit un signal électrique.

Zoom sur…

L'éruption solaire
Une éruption solaire est un événement au cours duquel l'activité du Soleil est inhabituellement vive. Elle se produit à la surface de la photosphère et projette un jet de matière ionisée qui se perd à des centaines de milliers de kilomètres d'altitude. En plus des particules et des rayons cosmiques, l'éruption s'accompagne d'un intense rayonnement (UV, rayons X, etc.) qui perturbe les transmissions radioélectriques terrestres. On parle alors abusivement d'un « orage magnétique ». En plus des perturbations dans les télécommunications, une éruption solaire provoque l'apparition des aurores polaires. C'est en 1859 que fut observée la première éruption solaire par l'astronome britannique R. Carrington (apparition d'une tache très lumineuse à la surface du Soleil pendant 5 minutes). Actuellement, c'est le 4 novembre 2003 que fut ressentie la plus intense éruption solaire. En 1989, une telle éruption avait provoqué une gigantesque panne électrique et de télécommunications au Québec. Le 6 janvier 1997, un satellite de diffusion de la télévision fut même détruit. Une prochaine tempête solaire est prévue pour 2008…
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