La communication dans l’habitat

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : La communication dans l'habitat

La communication dans l’habitat

Dans notre environnement, nous sommes en permanence plongés dans un « bain d’ondes ». Elles revêtent des formes très différentes (sonores, lumineuses, radioélectriques…). Elles nous permettent en particulier, parmi de nombreuses possibilités, de communiquer.

1Les ondes et les ondes électromagnétiques

Une onde correspond à un transfert d’énergie sans transport de matière. C’est une perturbation sous forme vibratoire qui se propage. Ce transfert peut prendre différentes formes que sont les ondes sonores, élastiques et électromagnétiques.

Une onde électromagnétique est un phénomène vibratoire qui peut se propager dans le vide à la vitesse de la lumière. La lumière visible, les rayons ultraviolets, les infrarouges, les rayons X, les rayons gamma, les ondes hertziennes (communément appelées ondes radio) sont des ondes électromagnétiques.

A Les caractéristiques des ondes électromagnétiques

La vitesse (ou célérité) d’une onde électromagnétique dépend du milieu où elle se propage. Dans le vide, elle correspond à la vitesse de la lumière c = 3,00 × 108 m.s1 (299 792 458 m.s1 plus précisément).

La fréquence d’une onde électromagnétique est notée ν (« nu ») ou f : elle s’exprime en hertz (Hz).

La période T exprimée en seconde (s) est l’inverse de la fréquence T = 1/ν.

La longueur d’onde λ (« lambda ») est la distance parcourue en m par l’onde en une période T.

Si le milieu de propagation est le vide, elle sera notée λ0.

La vitesse de la lumière dans le vide

« La constante lumineuse restera désormais là, dans votre cervelle » soit 299 792 458 m/s en comptant le nombre de lettres de chaque mot.

λ0=c×T λ= longueur d’onde dans le vide (m)

 T = la période en seconde (s)

 c = 3,00 × 108 m.s1 la célérité de la lumière dans le vide.

On peut aussi écrire avec la fréquence ν exprimée en Hertz (Hz)

λ0=cυ

EXEMPLE

Une station radio de la bande FM émet sur la fréquence de 103,5 MHz.

Dans l’air, la vitesse de propagation des ondes radio est très proche de celle observée dans le vide.

La période sera :

T=1103,5×106=9,66 ns

La longueur d’onde mesurera :

λ=3,00×108103,5×106=2,90 m

B Le spectre électromagnétique

Dans l’habitat, les nécessités de communication par ondes électromagnétiques imposent l’utilisation soit des ondes radioélectriques soit des infrarouges.

Les ondes radioélectriques occupent la bande de fréquence du spectre qui va approximativement de 30 kHz à 300 GHz (Giga = 109). Cela correspond à des longueurs d’onde qui s’échelonnent de 1 mm à 10 km soit un rapport de 107. Cette bande de fréquence bien que très large est en pratique très encombrée.

Les infrarouges occupent la bande de fréquence du spectre qui va approximativement de 300 GHz à 380 THz (Téra = 1012) pour des longueurs d’onde de 800 nm à 1 mm.

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C La structure des ondes électromagnétiques

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Une onde électromagnétique qui se propage suivant une direction X est en fait la propagation de deux champs oscillants intimement liés : l’un appelé champ électrique E et l’autre champ magnétique B. Ils ont la même fréquence, la même longueur d’onde et sont toujours perpendiculaires.

La polarisation correspond à la direction et à l’amplitude du champ électrique E. On distingue :

L’effet Faraday

La direction de polarisation d’une onde radio qui traverse un milieu ionisé (comme l’ionosphère) tourne. Pour cette raison, les télécommunications spatiales utilisent la polarisation circulaire afin d’éviter que l’onde reçue par l’antenne de réception n’ait une polarisation croisée avec l’antenne d’émission, ce qui produirait une coupure de la liaison.

– la polarisation linéaire (verticale ou horizontale) quand E reste toujours dans le même plan ;

– la polarisation circulaire, le champ électrique E tourne autour de l’axe de propagation en décrivant un cercle ;

– la polarisation elliptique, le champ électrique E tourne autour de l’axe de propagation et change d’amplitude pour former une ellipse.

Si l’onde est naturelle, elle n’a pas de polarisation privilégiée, E tourne autour de l’axe de propagation de façon aléatoire donc imprévisible au cours du temps.

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Direction de propagation : Un milieu isotrope signifie qu’il possède les mêmes caractéristiques physiques dans toutes les directions. Dans un milieu homogène et isotrope, les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite.

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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. Elle peut être totale ou partielle. Les radars exploitent cette propriété, l’onde émise se réfléchit sur les obstacles (exemple : rochers en mer) ou sur ce que l’on veut détecter (exemple : avions).

Réfraction : Lors d’un changement de milieu de propagation, si le second milieu est transparent pour l’onde, celle-ci se propage dans le second milieu mais avec une direction différente. Cela concerne la lumière mais aussi les ondes radio.

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Diffraction : Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction, c’est-à-dire déviation des ondes électromagnétiques. Celle ci est d’autant plus importante que l’on se rapproche de l’obstacle. Une partie de l’énergie des ondes est donc disponible dans l’ombre géométrique de l’obstacle. Ainsi, il est possible de recevoir une émission de télévision (bien qu’affaiblie) même si l’émetteur est caché par une colline.

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D La décroissance du champ électrique des ondes électromagnétiques

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Imaginons une source d’ondes électromagnétiques et une sphère de rayon r centrée sur cette source. En supposant que la source rayonne de même manière dans toutes les directions (source isotrope), on admettra que l’onde traverse au même instant tous les points de la sphère. Soit :

– Piso = Puissance isotropique de la source en W ;

– r = rayon de la sphère en m ;

– S = surface de la sphère en m2.

On appelle puissance surfacique Ps (en W.m2) le rapport :

Ps=PisoS=Piso4×π×r2

On voit que cette quantité décroît en 1/r2. Ainsi un doublement de la distance à la source divise cette puissance surfacique par 4.

Pour la valeur du champ électrique E (en V.m1), on montre qu’il vaut à la distance r :

E30×Pisor

Ainsi le champ électrique E, décroissant en 1/r, s’atténue lui aussi rapidement dès que l’on s’éloigne de la source.

EXEMPLE

Quelle est l’intensité du champ électrique créé par un téléphone portable de puissance 2,0 W à une distance d’un mètre ? Que vaut la puissance surfacique ?

E30×Pisor=30×2,01 Ps=Piso4×π×r2=2,04×π×12

E7,7 V.m1 Ps=0,16 W.m2

Exercice résolu

Énoncé

Une antenne-relais pour téléphone portable a une fréquence d’émission de 900 MHz et une puissance isotrope rayonnée de 1 000 W.

Les réglementations sanitaires fixent à 41 V.m1 la valeur maximale d’exposition des personnes au champ électrique pour la téléphonie mobile à 900 MHz.

1. Calculer la longueur d’onde de cette émission.

2. Calculer la valeur du champ électromagnétique à 10 m de l’antenne-relais.

3. En habitant à plus de 10 m de cette antenne est-on en zone à risque ou non ?

Corrigé

1. λ0=Cυλ=300×108900×106 λ = 0,33 m

2. E=30×PisorE=30×100010 E = 17 V.m–1

3. E a une valeur inférieure à 41 V.m1 donc le risque est faible.

NB : Il faudrait être à moins de 4,2 m de l’antenne pour être en zone surexposée car :

rmini30×PisoEmaxi=30×100041=4,2 m

2Les mesures des grandeurs physiques dans l’habitat

Dans l’habitat, il est souvent nécessaire de contrôler de manière précise l’environnement pour modifier en particulier le confort de vie.

Nous voulons ainsi agir sur la température, l’hygrométrie, la ventilation, l’ensoleillement de nos locaux d’une part, mais aussi sur la sécurité (alarme incendie, inondation…) et la surveillance (accès) d’autre part.

Pour agir sur ces grandeurs physiques, nous utilisons des actionneurs comme des chaudières, des climatiseurs, des stores, des ventilateurs… dont les commandes sont très souvent automatiques. Or, pour bien agir sur l’ensemble, tous les systèmes de commande ont besoin de connaître précisément les grandeurs physiques qui caractérisent l’état du système.

EXEMPLE

Une régulation de chauffage doit connaître en permanence la température d’ambiance du local à chauffer et tenir compte de la température extérieure pour ne démarrer la chaudière que si cela est nécessaire.

Il faut donc mesurer ces grandeurs physiques grâce à des éléments appelés capteurs.

A La notion de capteur

Un capteur est un dispositif qui transforme l’état d’une grandeur physique observée en une grandeur utilisable le plus souvent électrique. Il contient un transducteur qui est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.

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EXEMPLE

Un microphone électrodynamique est un capteur de sons, sa membrane et l’électro-aimant associé qui jouent le rôle de transducteur transforment les vibrations sonores en variations de tension électrique.

Un capteur est l’élément de base de l’acquisition de données.

B Quelques exemples de capteurs

Le nombre de capteurs disponibles est très grand. Les progrès de l’électronique font que pratiquement toutes les grandeurs physiques sont aujourd’hui accessibles à la mesure.

On peut citer en se limitant au domaine de l’habitat :

– capteur de consommation électrique qui sert de base au compteur électrique ;

– capteur de température (sonde Pt100 pour chaudière, par exemple) ;

– hygromètre pour la mesure de l’humidité ;

– capteur de niveau, de débit, d’ensoleillement ;

– anémomètre pour la mesure de la vitesse du vent…

C Les grandeurs analogiques et numériques

1. Définition des grandeurs analogiques et numériques

Une grandeur est dite « analogique » si son amplitude peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Il n’existe pas d’instant où l’on ne peut pas donner cette valeur. Par exemple, la luminosité au cours d’une journée entière peut prendre toutes les valeurs comprises entre quelques lux (une nuit sans lune) et quelques 100 000 lux (de jour sous un soleil éblouissant).

Une grandeur est dite « numérique » si son amplitude ne peut prendre qu’un nombre limité de valeurs dans un intervalle donné. Par exemple, l’interrupteur qui commande l’éclairage d’une pièce ne peut prendre que deux positions (valeurs) ouvert ou fermé. Généralement, le nombre de valeurs possibles est une puissance de 2.

On parlera de système numérique à n bits, c’est-à-dire à 2n valeurs possibles.

EXEMPLE

L’heure indiquée par une horloge à aiguilles est une grandeur analogique.

L’heure indiquée par une montre à affichage numérique n’est accessible qu’à la seconde près.

2. Conversion des grandeurs analogiques et numériques

Sauf à de rares exceptions, toutes les grandeurs physiques qui nous entourent sont analogiques (exemple : pression atmosphérique). Mais il est plus aisé de manipuler, de calculer, de corriger, de transmettre des grandeurs numériques. C’est ce qui justifie que l’on cherche à convertir ces grandeurs analogiques avec des convertisseurs analogiques-numériques (CAN). Il est aussi souvent utile de faire l’opération inverse avec un convertisseur numérique-analogique (CNA).