Définition du spectre électromagnétique. david@dmmetis.com

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

2. u Partie 1 : présentation du spectre électromagnétique
u Electromagnétisme
Ø Définition
Ø Onde électromagnétiques
Ø Définition
Ø Nature et propagation
Ø Rayonnement
u Définition du spectre électromagnétique
Ø Présentation du spectre EM
Ø Déclinaison des ondes électromagnétiques
Ø Cas des radiofréquences
Ø Organisation du spectre (vue reduite)
u Pour aller un petit peu plus loin…
u Questions
LeSpectre
Electromagnétique
2
DavidMalinvaud
24/03/2014

3. u Electromagnétisme
u Définition
Le
rayonnement
électromagné/que
symbolise
l'ensemble
des
radia/ons
émises
par
une
source
(soleil,
radar,
téléphone
portable,…)
u Ondes électromagnétiques
u Définition
Une
onde
électromagné/que
est
composée
d’un
champ
électrique
et
d’un
champ
magné/que
oscillant
tous
deux
à
la
même
fréquence.
C’est
aussi
l'ensemble
des
fréquences
à
laquelle
peut
osciller
une
onde
électromagné/que.
Ces
deux
champs
sont
perpendiculaires
l’un
par
rapport
à
l’autre
et
se
propagent
selon
une
direc/on
orthogonale
dans
un
milieu;
air,
espace,…(Maxell-­‐Lorentz).
Les
ondes
électromagné/ques
cons/tuent
l’ensemble
du
spectre
électromagné/que.
Elles
sont
générées
par
le
mouvement
d’une
charge
électrique,
tel
un
courant
électrique
(Maxell-­‐Ampère).
Elles
véhiculent
de
l’énergie
mais
pas
de
ma/ère.
LeSpectre
Electromagnétique
3
Champ magnétique (B)
Direction
Distance
Longueur d’onde
Champ électrique (E)
DavidMalinvaud
24/03/2014

4. LeSpectre
Electromagnétique
4
u Nature et propagation
La
nature
exacte
d’une
onde
électromagné/que
est
en
réalité
la
propaga/on,
à
la
vitesse
de
la
lumière,
d'une
déforma/on
harmonique
des
propriétés
électriques
et
magné/ques
de
l'espace
(cf.
Fig.1),
consécu/ve
à
une
excita/on.
Un
parallèle
peut
être
fait
avec
l’onde
que
génère
une
gouOe
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
ini/ale
après
distorsion.
Comme
il
est
à
noter
que
les
ondes
audio
ne
se
propagent
pas
dans
le
vide.
Une
onde
électromagné/que
est
caractérisée
par
trois
grandeurs
(cf.
Fig.3)
:
La
longueur
d’onde
(
λ
)
:
c’est
la
périodicité
de
l’oscilla/on
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'oscilla/ons
du
champ
électromagné/que
par
seconde;
L’unité
est
le
Hertz
(Hz),
sachant
qu’un
Hertz
équivaut
à
une
oscilla/on.
DavidMalinvaud
24/03/2014

5. 5
LeSpectre
Electromagnétique
Fig.1
Fig.2
DavidMalinvaud
24/03/2014

6. LeSpectre
Electromagnétique
6
Les
équa/ons
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.
u Rayonnement
Le
rayonnement
électromagné/que
symbolise
l'ensemble
des
radia/ons
émises
par
une
source
(soleil,
radar,
téléphone
portable,…).
Période
Fig.3
DavidMalinvaud
24/03/2014

7. LeSpectre
Electromagnétique
7
u Energie et photons
Les
photons
caractérisent
les
atomes
d’une
onde
électromagné/que.
Ils
transportent
des
quantas,
ou
paquets,
d’énergie
(E).
Chaque
photon
transporte
ainsi
une
somme
d'énergie
propor/onnelle
à
la
fréquence
de
l'onde
électromagné/que
considérée.
L’unité
est
l’électron-­‐volt
(eV).
Les
équa/ons
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
électromagné/que,
exprimée
en
eV.
E
=
h
x
v
E
=
h
x
c
/
λ
Les
équa/ons
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
propor/onnelle
à
sa
longueur
d’onde.
DM_EM_PART1&2_24032014
24/03/2014

8. u Définition du spectre électromagnétique
u Présentation du spectre EM
Le
spectre
électromagné/que
est
cons/tué
de
l’ensemble
des
ondes
électromagné/ques,
principalement
différenciées
par
leur
longueur
d’onde
(m)
et
l’énergie
qu’elles
transportent
(eV).
LeSpectre
Electromagnétique
8
Désigna/on
Bande
Longueur
d’onde
Origine
Tremendously
Low
Frequencies
0
Hz
à
3
Hz
100.000
km
à
l’infini
Ondes
et
bruits
électromagné/ques
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
électromagné/ques
naturelles,
ondes
physiologiques
humaines,
radiocommunica/ons
submari/mes
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
Radionaviga/on,
radiocommunica/ons
submari/mes
militaires,
émeOeurs
de
signaux
horaires
Low
Frequencies
30
kHz
à
300
kHz
1
k
à
10
km
Radiocommunica/ons
mari/mes
et
submari/mes
Medium
Frequencies
300
kHz
à
3
MHz
100
m
à
1
km
Systèmes
de
naviga/on,
radioamateurs,
radiocommunica/ons
mari/mes
et
aéronau/ques
DavidMalinvaud
24/03/2014

9. u Déclinaison des ondes électromagnétiques
Les
ondes
électromagné/ques
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
exposi/on
prolongée.
Ils
génèrent
une
ionisa/on
dans
la
ma/ère
vivante.
LeSpectre
Electromagnétique
9
Designa/on
Bande
Longueur
d’onde
Emploi
High
Frequencies
3
MHz
à
30
MHz
10
m
à
100
m
Radiocommunica/ons
militaires
et
d’ambassade,
transmissions
gouvernementales
Ultra
High
Frequencies
300
MHz
à
3
GHz
10
cm
à
1
m
Transmissions
militaires
et
aéronau/ques,
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,
expérimenta/ons
et
recherches
scien/fiques,
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.
.
Les
rayonnements
non-­‐ionisants
(RNI)
:
ils
ne
provoquent
aucune
ionisa/on
dans
la
ma/ère
vivante
même
à
forte
dose.
Nous
dis/nguerons
ces
gammes
d’ondes
électromagné/ques
comme
suit
:
u Les rayons cosmiques (RI)
Appelés
aussi
astropar/cules,
ce
sont
des
radia/ons
parcourant
l’univers,
capables
de
traverser
n’importe
quel
corps
et
d’interférer
avec
l’ADN
humain
(muta/on,
destruc/on).
Leur
fréquence
est
supérieure
à
1030
Hz,
λ
est
supérieure
à
10-­‐7
μm
;
E
=
1020eV.
u Les rayons gamma (RI)
Ces
rayons
résultent
des
radia/ons
émises
par
des
éléments
radioac/fs.
Ils
sont
hautement
chargé
d’énergie
et
traversent
aisément
la
ma/ère.
Ils
sont
dangereux
pour
les
cellules
vivantes.
Intervalle
λ
de
10-­‐7
μm
à
10-­‐5
μm
;
E
=
107eVmax.
u Les rayons X (RI)
Ces
rayons
sont
hautement
énergé/ques
qui
peuvent
traverser
la
ma/ère,
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. u Les Ultra-violets (RI)
Connus
pour
être
nocifs
pour
la
peau,
ces
rayons
sont
énergé/ques
mais
sont
stoppés
en
par/e
par
la
couche
d’ozone
qui
nous
préserve
de
leur
dangerosité.
On
leur
doit
la
couleur
brunâtre
de
notre
peau
après
une
exposi/on
au
soleil.
Intervalle
λ
de
10-­‐2
μm
à
0,38
μm
;
E
=
3.103
eVmax.
u Le domaine visible (RNI)
C’est
une
bande
très
étroite
du
spectre
électromagné/que
visible
de
l’œil
humain.
On
y
dis/ngue
les
couleurs
de
l’arc
en
ciel.
Intervalle
λ
de
0,38
μm
(violet)
à
0,78
μm
(rouge)
;
E
=
3,2
eVmax.
u L’infrarouge (RNI)
C’est
le
rayonnement
qu’émeOent
tous
les
corps
dont
la
température
est
supérieure
à
-­‐273°K
(dit
zéro
absolu).
On
y
dis/ngue
les
couleurs
de
l’arc
en
ciel.
Intervalle
λ
de
0,78
μm
à
106
nm
;
E
=
1,6eVmax.
u Les ondes submillimétriques (RNI)
Ces
ondes
sont
aussi
référencées
sous
le
vocable
Térahertz.
Elles
sont
u/lisées
dans
le
domaine
de
l’astronomie
pour
étudier
les
sources
célestes
du
rayonnement
associé.
L’univers
étant
cons/tué
avant
tout
de
ma/ère
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. u Les micro-ondes (RNI)
Appelées
aussi
ondes
radar
ou
hyperfréquences,
c’est
précisément
dans
ceOe
famille
que
l’on
retrouve
les
communica/ons
de
types
Wifi,
Bluetooth,
DETC,
ainsi
que
la
télédétec/on
et
la
télémétrie
radar.
Ces
ondes
appar/ennent
à
la
gamme
des
radio-­‐fréquences.
Intervalle
λ
de
1mm
à
1cm
;
E
=
10-­‐
3eVmax.
u Les ondes radio-électriques (RNI)
Ces
ondes
appar/ennent
à
la
gamme
des
radio-­‐fréquences,
et
représentent
la
plus
large
bande
du
spectre
électromagné/que
(10kHz
à
300
GHz).
Elles
peuvent
être
émises
et
reçues
plutôt
facilement,
émeOeur
et
récepteur
ne
commandent
pas
un
niveau
de
technologie
élevé.
Intervalle
λ
>
1cm
;
E
=
10-­‐5eVmax.
u Cas des radiofréquences
Ces
ondes
représentent
la
plus
large
bande
du
spectre
électromagné/que,
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
suscep/bles
d’être
déviées
ou
aOénuées,
selon
le
milieu
dans
lequel
elles
se
propagent,
ou
selon
la
ma/ère
qu’elles
traversent.
LeSpectre
Electromagnétique
12
DavidMalinvaud
24/03/2014

13. u Organisation du spectre (vue réduite)
LeSpectre
Electromagnétique
13
INFRARED
AUDIO
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
HF
MF
LF
VLF
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.
u Pour aller un petit peu plus loin…
Pour
les
férus,
et
pour
en
savoir
plus
:
u Les équations de Maxwell
Les
équa/ons
de
Maxwell,
ou
de
Maxwell-­‐Lorentz
du
fait
de
faire
intervenir
la
force
électromagné/que
(Fem)
telle
qu’elle
est
définie
par
Lorentz,
gouvernent
la
propaga/on
du
champ
électromagné/que
sous
forme
d’ondes
se
déplaçant
à
la
vitesse
de
la
lumière
c
=
3.108
m/s
dans
le
vide
;
la
vitesse
de
propaga/on
dépendant
du
milieu
parcouru
(phénomène
de
réfrac/on).
Elles
sont
au
nombre
de
quatre
:
§ Equa/on
de
Maxwell-­‐Gauss
;
traite
des
propriétés
du
champ
électrique
généré
par
des
charges
électriques.
§ Equa/on
de
Maxwell-­‐Faraday
;
traite
des
propriétés
d’un
champ
magné/que
induit
par
un
champ
électrique.
§ Maxwell-­‐Ampère
;
traite
de
la
créa/on
d'un
champ
magné/que
soit
par
circula/on
d'un
champ
électrique,
soit
par
varia/on
d'un
champ
électrique
dans
le
même
temps.
§ Maxwell-­‐Flux
magné/que
;
évoque
le
fait
qu'il
n'y
a
pas
de
sources
magné/ques
comparables
aux
charges
électriques
dans
le
cas
du
champ
électrique.
LeSpectre
Electromagnétique
14
DavidMalinvaud
24/03/2014

15.
u Questions?…
LeSpectre
Electromagnétique
15
DavidMalinvaud
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