Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?
Une onde électromagnétique est une catégorie d’ondes qui peut se déplacer dans un milieu de propagation comme le vide ou l’air, avec une vitesse avoisinant celle de la lumière, soit près de 300 000 kilomètres par seconde. Ces ondes sont par exemple produites par des charges électriques en mouvement. Elles correspondent aux oscillations couplées d’un champ électrique et d’un champ magnétique, dont les amplitudes varient de façon sinusoïdale au cours du temps.
V = Vitesse de déplacement de l'onde E = Champ électrique B = Champ magnétique © Emmanuel Boutet/Wikimedia Commons
Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie mais elles sont aussi capables de transporter de l’information. C’est pourquoi elles sont utilisées dans le domaine de la communication.
Concrètement, les ondes électromagnétiques servent à faire fonctionner les
smartphones, les postes de radio, ou encore sont utilisées pour faire des
radiographies du corps humain. De même,
la lumière visible est une onde électromagnétique ; elle nous permet de voir les couleurs.
Ces différentes ondes électromagnétiques se différencient et sont caractérisées par leur
fréquence, c’est-à-dire le nombre d’oscillations en une seconde. La fréquence est exprimée en Hertz. Une autre caractéristique des ondes électromagnétiques est la
longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux oscillations de l'onde. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence.
Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence dans ce que l’on appelle le « spectre électromagnétique ».
Spectre électromagnétique. Les ondes sont classées selon leurs fréquences en Hertz. © CEA
Dans l’ordre des longueurs d’ondes croissantes, on trouve :
|
Longueur d’onde (mètre) |
Fréquence (Hertz) |
Catégorie d'onde électromagnétique
|
| < 10 picomètres (ie 1 000 milliards de fois plus petit qu’un mètre) | 30 x 1018 Hz | Les rayons gamma, produits par des transitions nucléaires |
| 10 picomètres – 10 nanomètres (ie 1 000 millions de fois plus petit qu’un mètre) | 30 x 1018 – 30x1015 Hz | Les rayons X, qui permettent de faire des
radiographies du corps humain |
| 10 nanomètres – 400 nanomètres | 30x1015 - 750x1012 Hz | Les rayons ultra-violet (UV), qui proviennent majoritairement du Soleil et sont responsables par exemple du bronzage ou des coups de soleil. |
| 400 – 800 nanomètres | 750x1012 – 375x1012 Hz | La lumière visible avec toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. |
| 800 nanomètres – 0,1 millimètre | 375x1012 – 3x1012 Hz | Les
rayons infrarouges, qui captent la chaleur des objets, de l’environnement. |
| 1 millimètre - 30 kilomètres | 300x109Hz - 10Hz
| Les ondes radio, responsables des moyens de télécommunications qu’on connaît aujourd’hui : les radars et satellites, le réseau Wi-Fi, le téléphone portable, la télévision hertzienne et la radio. |
L’histoire des systèmes et réseaux de télécommunication
L’histoire des télécommunications commence en
1794, quand Claude Chappe met au point le
télégraphe optique. Deux tours d’observations éloignées de plusieurs dizaines de kilomètres s’échangent des messages codés par les différentes positions d’un bras articulé placé en haut de la tour.
Il faudra attendre la fin du 19e siècle et la découverte de l’existence des
ondes électromagnétiques par le physicien allemand
Heinrich Hertz pour que se développe la transmission d’informations sans fil.
Depuis vingt ans, nous sommes entrés dans un monde où tout devient sans fil. Après la radio et la télévision, le téléphone a d’abord lâché son fil à la maison pour devenir mobile, nos
ordinateurs communiquent aujourd’hui via le wi-fi. Depuis début 2018, le monde compte plus de
4 milliards d’utilisateurs d’Internet et plusieurs millions de mails sont envoyés chaque seconde. Et ce n’est pas fini ! L’Internet des Objets se développe, et part à l’assaut de nouveaux secteurs comme la
domotique, la santé connectée,
l’usine du futur et les
véhicules autonomes.
Le
réseau 5G qui est disponible en France depuis fin 2020 connectera toujours plus d’objets sans fil, avec un meilleur débit et plus de rapidité. A la clé : une plus grande fiabilité de transmission.
Le principe de fonctionnement de la radio
Les ondes radio, qui servent à transmettre des informations, ont des fréquences comprises entre quelques kilos Hertz et 300 giga Hertz, c’est-à-dire 300 milliards d’oscillations par seconde.
Parmi les ondes qui passent par les postes de radio, on trouve :
-
La radio AM avec une fréquence de 106Hz et une portée de plusieurs centaines de kilomètres, autrefois très utilisée.
-
La radio FM avec une fréquence de 108Hz et une portée de quelques dizaines de kilomètres. La radio FM est la plus écoutée aujourd’hui.
Les antennes permettent de rayonner les ondes radio se propageant dans l’air. Pour diffuser une émission de radio par exemple, la voix de l'animateur est transformée en signal électrique par le micro. Ce signal électrique oscille au même rythme que la voix, on dit qu'ils ont la même fréquence. Cependant, cette fréquence est beaucoup trop basse pour que le signal soit transmis sous forme d'onde électromagnétique. Il est donc nécessaire de fabriquer un signal électrique alternatif à très haute fréquence transmis à l’antenne pour qu'elle émette d'abord une onde porteuse. Pour transporter la voix par exemple, il faut alors mélanger notre signal électrique de basse fréquence, celui qui correspond à la voix de l’animateur, au signal électrique de haute fréquence.
Il existe par exemple
deux façons de faire :
-
Pour la radio AM, on change l’amplitude, c’est à dire la hauteur des oscillations du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en amplitude.
-
Pour la radio FM, on change la fréquence, c’est à dire le nombre d’oscillations par seconde du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en fréquence. La modulation en fréquence est beaucoup plus fiable ; il y aura moins de grésillements qu'avec la modulation d'amplitude.
Dans les deux cas, l’antenne émet une onde électromagnétique modulée qui se propage jusqu'à une antenne réceptrice, comme celle intégrée dans les postes de radio. Ensuite, elle fait le travail inverse de l'antenne émettrice : elle transforme l'onde électromagnétique en signal électrique, ce dernier est démodulé, soit en amplitude soit en fréquence, puis amplifié et transformé en son par les enceintes.
Comment fonctionne un système mobile
sans fil ?
Pour que nos fichiers ou SMS puissent parvenir jusqu’à leur destinataire, l’information à envoyer est
d’abord codée en langage binaire (combinaisons de zéro et un) puis présentée en entrée de la carte électronique de l’émetteur du système de communication sans fil, par exemple un téléphone.
Carte électronique dans système de télécommunication © CEA/DR
Ensuite, le signal numérique correspondant au message binaire est transformé en
signal analogique à haute fréquence (fréquences radio). Ce dernier est envoyé à une
antenne, qui se met alors à rayonner une onde électromagnétique se propageant dans l’air pour atteindre l’antenne relais la plus proche. L'onde est ensuite encore transformée en signal électrique, pour être transmise via des câbles ou des fibres optiques sur de très grandes distances, jusqu’à enfin atteindre l’antenne relais la plus proche du destinataire. Le processus de réception est le même que celui d’envoi, en inversé. La carte électronique du système de communication du récepteur décode le langage binaire pour afficher le SMS, l’image ou bien la vidéo.
Les différentes générations de réseaux mobiles : De la 2G à la 5G
La fin des années 1990 sonne le début de l’ère des téléphones portables, le réseau dit «
2G » (ou GSM) est lancé. Il permet de transmettre la voix mais aussi des données numériques comme les SMS ou des messages multimédias, avec du contenu léger (MMS). Les réseaux
GPRS et
EDGE offrent un accès à Internet mais avec un débit très bas.
La
3G se commercialise au début des années 2000. Le débit est alors plus rapide que pour la 2G et les téléphones peuvent alors accéder à
Internet beaucoup plus rapidement, même en mouvement.
En 2012, la 4G fait son arrivée en France, le débit maximal est multiplié par 100, ce qui permet le développement des objets connectés et des réseaux sociaux.
Le réseau
5G est disponible depuis fin 2020 en France et se déploie dans le monde entier. Il constitue une véritable rupture technologique, présentant de nombreuses innovations. Ses atouts ? Un débit
50 fois plus important que la 4G et un temps
d’acheminement des données beaucoup plus court (jusqu’à 1ms, contre 10ms avec la 4G).
La 5G pourra occuper des bandes de fréquence entre 800MHz et 56GHz. Les fréquences les plus hautes appartiennent au domaine des ondes millimétriques (allant de 30 à 300 GHz). A ces fréquences-ci, l’atténuation des ondes avec la distance parcourue est plus importante mais les antennes sont plus petites que celles utilisées pour la 4G. Dans un même espace, il sera donc possible d'en associer beaucoup plus pour augmenter la puissance reçue (ou émise) dans certaines directions et ainsi, suivre plusieurs utilisateurs mobiles tout en limitant les interférences. Le développement d’applications telles que les
voitures autonomes ou les
objets connectés devrait être facilité par la 5G.
Notions clés :
- Les ondes électromagnétiques
transportent de l’énergie mais elles sont aussi capables de
transporter de l’information.
- Les ondes électromagnétiques se différencient et sont caractérisées par leur
fréquence, c’est-à-dire le nombre d’oscillations en une seconde.