Parfois, les gens se disent bonjour en faisant un signe de la main. Cependant, nous pouvons communiquer les uns avec les autres en utilisant de nombreux types d'ondes, et pas seulement en agitant la main. Le premier exemple qui te vient probablement à l'esprit est celui des ondes sonores. Nous pouvons produire un son lorsque l'air passe à travers nos cordes vocales, ce qui les fait vibrer. Ces vibrations se propagent dans l'air et finissent par atteindre nos tympans. Il y a une limite à la distance que peut parcourir une onde sonore, car l'onde s'amortit, c'est-à-dire qu'elle s'atténue à mesure que l'on s'éloigne de l'orateur.
Jusqu'à il y a quelques siècles, les communications à longue distance étaient lentes, peu fiables et inefficaces. Presque tous les messages devaient être transportés physiquement. C'est pourquoi nous avons développé de nouvelles technologies pour aider à communiquer en utilisant les ondes du spectre électromagnétique pour surmonter ce problème. Certaines de ces nouvelles technologies de communication sont même utiles à courte portée. Cet article t'aidera à comprendre les applications des ondes dans la communication et la physique qu'elles impliquent !
Les ondes électromagnétiques dans les communications
Tu trouveras ci-dessous un diagramme du spectre électromagnétique ; il montre toute la distribution du rayonnement électromagnétique en fonction de l'augmentation de la fréquence ou de l'augmentation de la longueur d'onde. Les ondes à haute fréquence, telles que les rayons gamma et les rayons X, ont la plus petite longueur d'onde et les énergies les plus élevées des ondes électromagnétiques. Tandis que les micro-ondes et les ondes radio possèdent les fréquences et les énergies les plus basses, mais les longueurs d'onde les plus grandes.
Les différentes sections du spectre électromagnétique sont classées par fréquence et longueur d'onde, Wikimedia Commons CC BY 3.0.
Les ondes électromagnétiques ont de nombreuses utilisations dans le domaine de la communication. Différentes parties du spectre électromagnétique (EM) conviennent à différentes applications. Les différentes énergies, fréquences et longueurs d'onde associées à chaque partie du spectre électromagnétique présentent des avantages et des inconvénients en fonction de leur utilisation. Nous n'utilisons que les parties à basse fréquence du spectre électromagnétique dans la communication, les rayonnements électromagnétiques à des fréquences plus élevées que la lumière visible n'étant pas pratiques pour diverses raisons.
Les scientifiques étudient les applications possibles de la lumière ultraviolette dans les communications. Les rayons UV sont absorbés par notre atmosphère et sont donc pratiquement inutiles sur de longues distances. Cependant, avec une source suffisamment puissante, le rayonnement UV peut être transmis sur des distances allant jusqu'à plusieurs kilomètres au niveau du sol. L'utilisation de la lumière ultraviolette pour communiquer présenterait deux avantages principaux par rapport à d'autres parties du spectre électromagnétique.
- La lumière ultraviolette a une fréquence élevée, ce qui signifie qu'elle peut transférer plus d' informations par seconde que les ondes à plus basse fréquence telles que la lumière visible ou les infrarouges.
- Certaines particules de l'atmosphère peuvent diffuser ou réfléchir la lumière ultraviolette tout en l'absorbant, ce qui signifie qu'un signal peut se disperser sur une large zone. Ce phénomène peut être utilisé pour communiquer entre deux points qui ne sont pas reliés par une ligne de vue, car la lumière ultraviolette peut se disperser en contournant les obstacles qui se trouvent sur le chemin.
Les ondes radio dans les communications
Les ondes radio ont les plus grandes longueurs d'onde et les plus basses fréquences du spectre électromagnétique. La plupart des fréquences d'ondes radio sont essentiellement transparentes pour l'atmosphère, et sont donc très utiles pour communiquer sur de longues distances. Elles traversent également le corps humain et ne sont donc pas du tout nocives. Le spectre radioélectrique lui-même est très large. Il va d'une longueur d'onde de 1 mm à 10 000 km, ce qui est plus grand que le rayon de la Terre ! Les ondes radio de différentes longueurs d'onde et de différentes fréquences ont donc des comportements très différents. La télévision et les émissions de radio sont des exemples typiques de l'utilisation de ces ondes dans les communications.
Nous pouvons transmettre et recevoir des ondes radio en utilisant des oscillations dans les circuits électriques. Lorsqu'un conducteur absorbe une onde radio, il génère un courant alternatif. La fréquence du courant alternatif correspond à la fréquence de l'onde radio. C'est ainsi que nous codons électroniquement les informations avant la transmission radio et que nous les décodons après la réception de l'onde.
- Les ondes radio de courte longueur d'onde ont des fréquences supérieures à environ. Ces ondes radio sont utilisées lors de la transmission entre deux antennes situées en ligne de mire l'une de l'autre. Cela signifie que la propagation de l'onde est limitée à l'horizon visuel, qui est d'environsur la surface de la Terre, mais les ondes sont suffisamment grandes pour traverser sans obstacle la plupart des bâtiments ou du feuillage. Généralement utilisé lorsque nous avons besoin de hautes fréquences pour transmettre beaucoup d'informations à la fois, comme avec la radio, la télévision, les téléphones portables ou les radars.
- Aux fréquences inférieures àles ondes radio commencent à se courber au-dessus de l'horizon. Cela permet aux radios d'émettre sur des centaines de kilomètres, ce qui suit la courbure de la Terre. Plus la fréquence est basse, plus la portée du signal est grande. Malheureusement, des fréquences plus basses signifient que moins d'informations peuvent être transmises par seconde.
- Les ondes radio de courte longueur d'onde comprises entreetpeuvent également être diffusées par l'ionosphère (particules chargées situées dans l'atmosphère) et renvoyées vers la surface de la Terre. C'est ce qu'on appelle la propagation par l'onde ionosphérique, qui permet de communiquer par radio d'un continent à l'autre ! Malheureusement, cette méthode de communication est rarement utilisée aujourd'hui car les conditions atmosphériques ne sont pas fiables.
Propagation de l'onde céleste à l'aide d'ondes radio, Pixabay
Les ondes lumineuses visibles dans les communications
Bien sûr, nous utilisons déjà la lumière visible pour communiquer naturellement les uns avec les autres, c'est pourquoi nous parlerons de la lumière visible purement en tant que technologie de communication. En 1792, un Français nommé Claude Chappe a inventé le système télégraphique du sémaphore. Le sémaphore était un moyen primitif de transmettre des informations sur de longues distances à l'aide de signaux visuels. De grandes tours ont été construites en ligne de mire les unes des autres, à des distances comprises entreetmiles en fonction du terrain. Sur chaque tour, un opérateur humain muni d'une longue-vue surveillait les tours voisines à la recherche de signaux. Après avoir reçu un message, l'opérateur le transmettait à la tour suivante. Il s'agit du précurseur du télégraphe électrique, qui remplacera le sémaphore moins d'un siècle plus tard.
À l'ère moderne, nous utilisons des câbles à fibres optiques pour transmettre des signaux sous forme de lumière visible. Les câbles à fibres optiques peuvent être utilisés pour fournir de l'internet à haut débit. Les câbles à fibres optiques sont constitués de fibres de verre flexibles, qui permettent aux ondes électromagnétiques d'être réfléchies en interne et donc de se déplacer dans le câble à la vitesse de la lumière. Ces câbles sont entourés d'une gaine en plastique pour protéger les fibres de verre délicates qui se trouvent à l'intérieur. Les câbles à fibres optiques peuvent être utilisés pour transmettre des signaux sur de très longues distances, car il n'y a qu'une faible perte du signal due à la diffusion ou à l'absorption de l'onde lorsqu'elle est réfléchie aux limites du câble. Le verre de meilleure qualité permet de réduire les pertes lorsque l'onde se déplace dans le câble.
Rayon de lumière visible traversant un câble de fibre optique par réflexion interne, adapté de l'image de Chris Woodford CC BY 3.0
Les ondes infrarouges dans les communications
La lumière infrarouge englobe tous les rayonnements électromagnétiques compris entre() et. Les transmissions infrarouges sont surtout utilisées dans les communications à courte portée. La télécommande de ton téléviseur en est un exemple courant. Le principal problème des communications infrarouges est que les ondes ne traversent pas les objets solides et sont partiellement absorbées par l'atmosphère, ce qui leur confère une faible portée. Dans certains contextes (comme le confort de ta propre maison), cela peut être transformé en avantage ! Une télécommande de télévision infrarouge située dans le salon n'interfèrera pas avec des appareils similaires situés dans d'autres pièces de la maison, car les signaux ne peuvent pas traverser les murs. De plus, les émetteurs infrarouges sont relativement peu coûteux à fabriquer et ont une faible consommation d'énergie, ce qui maintient les coûts à un niveau bas pour les consommateurs.
Les longueurs d'onde infrarouges sont également utilisées dans les câbles à fibres optiques lorsque l'utilisateur souhaite minimiser la perte du signal. La lumière visible dans les câbles à fibres optiques peut être plus facilement dispersée ou absorbée par les impuretés dans le câble que la lumière infrarouge, ce qui entraîne une perte plus importante lorsque le signal voyage à travers le câble. Cependant, en raison des fréquences plus basses de la lumière infrarouge, le taux de transfert de données est plus faible que dans le spectre visible.
Communications par satellite
L'un des moyens de communiquer à l'échelle mondiale consiste à utiliser des satellites, souvent employés par les sociétés de télévision par satellite et les réseaux de téléphonie mobile. Par exemple, une tour de téléphonie mobile transmettra et recevra des données de nombreux téléphones mobiles situés au sol par le biais d'ondes radio. La tour de téléphonie mobile communique ensuite avec un satellite en orbite géostationnaire à l'aide de micro-ondes. Un satellite géostationnaire reste toujours stationnaire au-dessus d'un point précis de la surface de la Terre, de sorte que la communication avec les équipements au sol peut se faire sans interruption, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Le spectre des micro-ondes est utilisé car il n'est pas bloqué par l'atmosphère terrestre et peut transmettre plus de données par seconde que les ondes radio, en raison de leurs fréquences plus élevées.
Le satellite peut alors communiquer avec d'autres tours de téléphonie mobile dans une vaste zone à la surface de la Terre. Les satellites commerciaux ne communiquent que très rarement directement entre eux, les signaux doivent être relayés vers des récepteurs au sol.
Utilisation d'un satellite pour communiquer sur de longues distances, Wikimedia Commons CC BY 3.0
Une orbite géostationnaire peut être obtenue au-dessus de la Terre en envoyant un satellite en orbite au-dessus de l'équateur à environau-dessus de la surface de la Terre. À cette hauteur, un satellite met exactement un jour (23 heures et 56 minutes) pour effectuer une orbite. Si l'orbite du satellite est dans le même sens que la rotation de la Terre, il restera immobile dans le ciel vu de la Terre.
Les ondes dans la communication - Principaux enseignements
- De nombreuses longueurs d'onde de la lumière dans le spectre électromagnétique sont utilisées dans les communications.
- Plus la fréquence d'une onde est élevée, plus tu peux transmettre de données/informations par seconde.
- Les rayonnements électromagnétiques dont les fréquences sont supérieures à la lumière visible deviennent de plus en plus impraticables.
- Les ondes radio ont des longueurs d'onde très élevées et sont généralement utilisées dans les émissions de télévision et de radio.
- Les ondes radio peuvent être transmises sur des centaines de kilomètres aux fréquences les plus basses.
- Les conducteurs peuvent absorber et transmettre les ondes radio, ce qui permet d'encoder et de décoder électroniquement les informations.
- Les câbles à fibres optiques transmettent des données en utilisant la lumière visible ou infrarouge. Ils sont utiles parce qu'ils peuvent transmettre beaucoup de données par seconde et n'avoir qu'une faible perte de signal.
- Le spectre infrarouge est surtout utile pour les communications à courte portée, comme les télécommandes. Le rayonnement infrarouge est partiellement absorbé par l'atmosphère et complètement bloqué par les obstacles.
- Les satellites permettent des communications à l'échelle mondiale. Ils utilisent les micro-ondes, en raison du taux de transfert de données relativement élevé par rapport aux ondes radio. De plus, les micro-ondes sont transparentes pour l'atmosphère terrestre.
- La plupart des satellites de communication sont géostationnaires, de sorte que les transmissions entre les satellites et les équipements au sol sont ininterrompues.
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