Les ondes électromagnétiques - transmission d'informations

Pour 2BAC PC 2BAC SVT 2BAC SM Mis à jour le 15 octobre 2026

Objectifs pédagogiques

  • Connaître la nature et les propriétés d'une onde électromagnétique.
  • Savoir que l'information transmise et le signal reçu ont exactement la même fréquence.
  • Justifier la nécessité absolue de la modulation pour la transmission d'informations.
  • Reconnaître et différencier les trois types de modulation (Amplitude, Fréquence, Phase).

Compétences visées

  • Exploiter la relation liant la longueur d'onde, la fréquence et la célérité.
  • Calculer la dimension d'une antenne en fonction de la fréquence du signal.
  • Identifier visuellement les caractéristiques d'un signal modulé.

Vérifiez vos prérequis

Quelle est la relation entre la période $T$ et la fréquence $f$ d'un signal périodique ? La fréquence est l'inverse de la période : $f = \frac{1}{T}$. (Avec $T$ en secondes et $f$ en Hertz).
Quelle est la célérité $c$ de la lumière (et de toute onde électromagnétique) dans le vide ? La célérité dans le vide est $c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.
Quelle relation relie la longueur d'onde $\lambda$, la célérité $c$ et la fréquence $f$ ? La relation fondamentale est : $\lambda = \frac{c}{f} = c \cdot T$.
Quelles sont les trois caractéristiques principales d'une tension électrique sinusoïdale ? Une tension sinusoïdale se caractérise par son Amplitude (valeur maximale), sa Fréquence (nombre d'oscillations par seconde), et sa Phase (décalage temporel).

Situation de départ

Lors d'un match décisif de l'équipe nationale marocaine, des millions de supporters suivent l'événement en direct à travers tout le Royaume. Un habitant d'un village reculé dans les montagnes de l'Atlas regarde le match sur sa télévision via une antenne parabolique, tandis qu'un automobiliste circulant sur l'autoroute l'écoute sur sa radio.

Question problème : "Comment l'image et le son parviennent-ils quasi-instantanément du stade jusqu'aux différents récepteurs (TV, Radio) sans aucun lien matériel (fils), et quel est le rôle des différentes antennes utilisées ?"

Supporters regardant un match à la télévision et écoutant la radio
La transmission sans fil permet de relier le stade à des millions de récepteurs instantanément.

1. Caractéristiques des ondes électromagnétiques

Rappel : Les signaux périodiques sinusoïdaux

Un signal électrique ou une onde est dit sinusoïdal lorsqu'il varie au cours du temps de manière régulière et symétrique. Il possède trois caractéristiques essentielles qui peuvent être modifiées :

$$u(t) = U_m \cos(2\pi f \cdot t + \varphi)$$
  • L'Amplitude : La valeur maximale atteinte par le signal.
  • La Fréquence : Le nombre de fois que le motif se répète par seconde (en Hertz).
  • La Phase : La position du signal à l'instant initial $t=0$.
Caractéristiques des tensions périodiques sinusoïdales
Caractéristiques d'un signal : Amplitude, Période et Fréquence.

L'onde électromagnétique

Une onde électromagnétique résulte de la propagation couplée et simultanée d'un champ électrique $E$ et d'un champ magnétique $B$, qui oscillent perpendiculairement l'un par rapport à l'autre et perpendiculairement à la direction de propagation.

  • Elle n'a pas besoin de milieu matériel pour se propager (elle se propage dans le vide).
  • Elle transporte de l'énergie et de l'information, mais pas de matière.
  • Dans le vide (et l'air approximativement), sa vitesse est constante : $c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.
L'onde électromagnétique avec ses champs électrique et magnétique
Propagation transversale des champs électrique et magnétique.

Le spectre électromagnétique

Les ondes électromagnétiques sont classées selon leur fréquence $f$ (ou leur longueur d'onde $\lambda$). L'ensemble de ces ondes forme le spectre électromagnétique.

Plus la fréquence d'une onde est élevée, plus elle transporte d'énergie et plus sa longueur d'onde est petite, selon la relation :

$$\lambda = \frac{c}{f}$$
Les types d'ondes électromagnétiques composant le spectre
Le spectre électromagnétique : des ondes radio (basses fréquences) aux rayons gamma (très hautes fréquences).

Testez-vous

Contrairement aux ondes sonores, les ondes électromagnétiques :

Si la fréquence d'une onde électromagnétique augmente, que devient sa longueur d'onde ?

De quoi est constituée exactement une onde électromagnétique ?

2. Émission et réception d'une information

Le processus d'émission et de réception sans fil

Activité expérimentale : Transmission d'un signal

Ouvrir la simulation : Activité expérimentale : Transmission d'un signal

Ouvrir la simulation en plein écran

Activité expérimentale : L'émetteur et le récepteur

Au laboratoire, on relie un émetteur ultrasonique (qui joue le même rôle qu'une antenne émettrice) à un générateur basse fréquence (GBF) réglé sur une fréquence d'émission $f_E = 40 \text{ kHz}$. À quelques mètres, on place un récepteur relié à un oscilloscope. On observe sur l'écran le signal électrique reçu après sa propagation dans l'air. On mesure sur l'écran la période du signal reçu et on trouve $T_R = 25 \;\mu\text{s}$.

Questions :

1 En utilisant la formule de la fréquence, calculer la fréquence du signal reçu $f_R$.

2 Comparer la frequency du signal émis $f_E$ et celle du signal reçu $f_R$.

3 Quelle conclusion fondamentale peut-on tirer concernant le signal véhiculé entre un émetteur et un récepteur ?

Voir les réponses

1 La fréquence reçue se calcule par :
$f_R = \frac{1}{T_R} = \frac{1}{25 \cdot 10^{-6}} = 40\,000 \text{ Hz} = \mathbf{40 \text{ kHz}}$.

2 On constate que $f_R = 40 \text{ kHz}$ et $f_E = 40 \text{ kHz}$. Donc $f_E = f_R$.

3 Conclusion : L'information transmise sous forme d'onde et le signal électrique reçu par l'antenne réceptrice ont exactement la même fréquence. La propagation dans le milieu ne modifie pas la fréquence du signal.

L'Antenne : L'élément clé

Une antenne est un dispositif physique permettant de rayonner (émettre) ou de capter (recevoir) des ondes électromagnétiques dans l'espace.

  • À l'émission : L'antenne convertit un signal électrique alternatif (courant) en onde électromagnétique qui se diffuse dans l'espace.
  • À la réception : L'antenne capte l'onde électromagnétique de l'espace et la convertit en un infime signal électrique de même fréquence, qui sera ensuite traité par le récepteur.
Les types d'antennes : parabolique, râteau, tige
Différents types d'antennes utilisées selon la fréquence et l'application.

Le processus global de transmission

La transmission d'une information entre deux points distants repose sur une chaîne logique continue :

  1. La source : La voix ou l'image est d'abord convertie en signal électrique par un capteur (ex: Microphone).
  2. L'émission : Le signal électrique traverse l'antenne émettrice qui crée l'onde électromagnétique.
  3. La propagation : L'onde voyage dans l'air ou le vide à la vitesse de la lumière.
  4. La réception : L'antenne réceptrice capte l'onde et reproduit le signal électrique original.
  5. La restitution : Le signal électrique est reconverti en son ou en image par un actionneur (ex: Haut-parleur).
Schéma du processus d'émission et réception d'une information
Processus complet d'émission et de réception d'une information à distance.

Testez-vous

Quel est le rôle principal d'une antenne émettrice ?

Si une station radio émet une onde à une fréquence de $100 \text{ MHz}$, à quelle fréquence l'antenne réceptrice va-t-elle vibrer électriquement ?

Quel composant est responsable de la conversion de la voix humaine en signal électrique au début de la chaîne ?

3. La modulation : nécessité et types

Ouvrir la simulation : La modulation : nécessité et types

Ouvrir la simulation en plein écran

Activité documentaire : Pourquoi a-t-on besoin de la modulation ?

Activité documentaire : Le problème des dimensions

On désire transmettre directement la voix d'un animateur radio. La fréquence moyenne de la voix humaine (Basse Fréquence) est d'environ $f = 100 \text{ Hz}$.
Une contrainte technologique fondamentale impose que pour qu'une antenne émette efficacement une onde, sa longueur physique $L$ doit être de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde du signal à émettre :

$L = \frac{\lambda}{2}$
.

Questions :

1 Calculer en mètres, puis en kilomètres, la longueur d'onde $\lambda$ correspondant à la voix de l'animateur ($c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$).

2 En déduire la taille physique $L$ de l'antenne nécessaire pour transmettre directement ce son.

3 Est-il technologiquement possible de construire une telle antenne ?

4 Pour résoudre ce problème, il faut utiliser une antenne beaucoup plus petite (par exemple $L = 1,5 \text{ m}$). Quelle caractéristique du signal doit-on augmenter considérablement pour y parvenir ?

Voir les réponses

1 Calcul de $\lambda$ :
$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \cdot 10^8}{100} = 3\,000\,000 \text{ m} = \mathbf{3\,000 \text{ km}}$.

2 Dimension de l'antenne :
$L = \frac{\lambda}{2} = \frac{3\,000}{2} = \mathbf{1\,500 \text{ km}}$.

3 Il est absolument impossible de construire une antenne mesurant 1500 km de long (la distance de Tanger à Lagouira !). C'est la raison principale pour laquelle on ne peut pas émettre des signaux basse fréquence directement.

4 Pour avoir une petite antenne, il faut une petite longueur d'onde $\lambda$. Puisque $\lambda = \frac{c}{f}$, la seule solution est d'augmenter énormément la fréquence de l'onde émise (utiliser des signaux de très Haute Fréquence).

Principe de la modulation

Puisqu'il est impossible d'envoyer directement l'information (qui est à Basse Fréquence), les ingénieurs utilisent un processus appelé Modulation.

Le principe : On utilise une onde électromagnétique de très Haute Fréquence (qui nécessite une petite antenne et voyage très loin). On va faire varier l'une de ses caractéristiques (son amplitude, sa fréquence ou sa phase) au même rythme que le signal d'information à transmettre.

Le signal de Haute Fréquence joue le rôle d'un véhicule de transport ultra-rapide, tandis que le signal d'information (Basse Fréquence) est le passager à bord.

Les trois types de modulation

Puisqu'un signal sinusoïdal possède trois paramètres, il existe trois manières de le modifier pour y insérer l'information :

1. La Modulation d'Amplitude (AM) :
L'information est insérée en faisant varier l'amplitude de l'onde de Haute Fréquence. L'enveloppe extérieure du signal final dessine exactement la forme du signal d'information.

$$u(t) = U_m(t) \cdot \cos(2\pi f \cdot t + \varphi)$$
Modulation d'amplitude : l'amplitude varie
Modulation d'Amplitude (AM) : Le signal final s'élargit et se rétrécit.

2. La Modulation de Fréquence (FM) :
L'information est insérée en faisant varier la fréquence (l'espacement entre les oscillations) de l'onde de Haute Fréquence. Son amplitude, elle, reste constante. C'est la technologie utilisée pour la radio de haute qualité.

$$u(t) = U_m \cdot \cos(2\pi f(t) \cdot t + \varphi)$$
Modulation de fréquence : l'espacement des ondes varie
Modulation de Fréquence (FM) : Les oscillations se resserrent et s'écartent.

3. La Modulation de Phase (PM) :
L'information modifie la phase du signal haute fréquence. Visuellement, cela ressemble à des décalages soudains du démarrage des oscillations. C'est très utilisé dans les transmissions numériques (Wi-Fi, 4G).

$$u(t) = U_m \cdot \cos(2\pi f \cdot t + \varphi(t))$$
Modulation de phase : décalage temporel des oscillations
Modulation de Phase (PM) : Le signal se décale dans le temps au rythme de l'information.

Testez-vous

Pourquoi ne transmettons-nous pas directement notre voix par ondes radio dans l'air ?

Quel type de modulation garde une amplitude parfaitement constante tout en modifiant l'espacement des vagues ?

Dans la modulation d'amplitude (AM), comment reconnaît-on visuellement le signal d'information sur l'onde finale ?

L'essentiel

  • Nature de l'onde : Une onde électromagnétique est la propagation simultanée d'un champ électrique et magnétique, même dans le vide, à $c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.
  • Relation fondamentale : La longueur d'onde $\lambda$ est inversement proportionnelle à la fréquence $f$ : $\lambda = \frac{c}{f}$.
  • Rôle de l'antenne : Convertit un courant électrique en onde électromagnétique, et vice versa. La fréquence reste conservée ($f_E = f_R$).
  • La contrainte technique : La transmission nécessite une antenne de taille $L = \frac{\lambda}{2}$. Les signaux basse fréquence exigent des antennes impossibles à construire.
  • La Modulation : Solution technique consistant à modifier les propriétés (Amplitude, Fréquence, Phase) d'une onde très haute fréquence pour lui faire transporter l'information basse fréquence.

4. Enrichissement et applications

La maîtrise des ondes électromagnétiques a révolutionné l'humanité dans tous les secteurs :

  • Les Télécommunications spatiales : Les satellites en orbite autour de la terre utilisent des ondes de très haute fréquence (Micro-ondes) pour traverser l'atmosphère sans atténuation, transmettant Internet, le GPS et la télévision.
  • La Médecine (IRM et Radiographie) : Les rayons X traversent les tissus mous mais sont bloqués par les os, permettant l'imagerie médicale. L'IRM utilise des ondes radio puissantes pour exciter les molécules d'eau du corps.
  • Le Radar et l'Aviation : Les avions émettent des ondes électromagnétiques qui rebondissent sur les obstacles. En mesurant le temps de retour de l'onde, l'ordinateur calcule la distance exacte de l'objet ($d = \frac{c \cdot t}{2}$).
  • L'Internet Fibre Optique : Contrairement au cuivre, la fibre optique transporte des ondes électromagnétiques lumineuses (Infrarouge) guidées dans un fil de verre, permettant des débits d'informations vertigineux via la modulation numérique de la lumière.
Applications spatiales et technologiques des ondes EM
De la radio classique aux satellites, la modulation est partout.

Recherche d'approfondissement

Pour développer votre culture technologique, vous pouvez rechercher les sujets suivants :

  • Le Multiplexage : Comment des centaines de stations de radio différentes peuvent-elles émettre dans l'air en même temps sans que leurs signaux ne se mélangent dans notre récepteur ?
  • La Démodulation : Une fois le signal modulé reçu par l'antenne, par quel processus électronique miraculeux la télévision parvient-elle à "extraire" l'information et jeter l'onde haute fréquence devenue inutile ?
  • La 5G et 6G : Pourquoi les nouvelles générations de réseau mobile utilisent-elles des fréquences de plus en plus élevées au détriment de la portée du signal ?

5. Exercices corrigés

Exercice Global : Étude de la transmission d'une station météo

Une station météorologique située au sommet du Mont Toubkal collecte des données (température, vent) sous forme de signaux électriques de Basse Fréquence. Pour envoyer ces données à la base de contrôle située à Marrakech, les ingénieurs utilisent le processus de modulation d'amplitude (AM) pour transmettre le signal via une antenne.

Le signal de très Haute Fréquence utilisé possède une fréquence de $f = 150 \text{ MHz}$ (soit $150 \cdot 10^6 \text{ Hz}$). On donne la vitesse de la lumière dans l'air : $c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.

Station météorologique avec une antenne émettant des ondes radio
Transmission des données de la station météo.

Questions :

1 Calculer en mètres la longueur d'onde $\lambda$ du signal de Haute Fréquence utilisé par la station météorologique.

2 En déduire la taille théorique $L$ de l'antenne nécessaire pour émettre efficacement ce signal, sachant que la règle impose $L = \frac{\lambda}{2}$. Cette taille est-elle techniquement réalisable ?

3 Expliquer brièvement pourquoi les ingénieurs ne transmettent pas le signal Basse Fréquence des capteurs directement dans l'air, sans faire appel à l'onde de 150 MHz.

4 Quel est le nom scientifique de l'opération qui consiste à insérer l'information dans l'onde de Haute Fréquence ?

5 Puisque la station utilise la modulation d'amplitude (AM), expliquez quelle propriété spécifique de l'onde Haute Fréquence va subir des variations.

6 Lorsque l'antenne réceptrice de la base de contrôle à Marrakech capte ce signal, quelle sera la valeur exacte de la fréquence de l'onde captée ? Justifiez votre réponse.

Voir la solution
Attention. Pour le calcul de la fréquence, n'oubliez jamais de convertir les Mégahertz (MHz) en Hertz (Hz) en multipliant par $10^6$.

1 Calcul de la longueur d'onde $\lambda$ :
La formule relie la vitesse, la fréquence et la longueur d'onde : $\lambda = \frac{c}{f}$.
$\lambda = \frac{3 \cdot 10^8}{150 \cdot 10^6} = \frac{300 \cdot 10^6}{150 \cdot 10^6} = \mathbf{2 \text{ mètres}}$.

2 Taille de l'antenne $L$ :
D'après la contrainte physique : $L = \frac{\lambda}{2} = \frac{2}{2} = \mathbf{1 \text{ mètre}}$.
Oui, cette taille est parfaitement réalisable, il s'agit d'une tige métallique standard, facile à fabriquer et à installer au sommet de la station météo.

3 Nécessité du procédé :
Si le signal Basse Fréquence des capteurs était envoyé directement, sa fréquence très faible donnerait une longueur d'onde gigantesque (des milliers de kilomètres). L'antenne nécessaire serait impossible à construire techniquement. De plus, les ondes de basse fréquence s'atténuent très vite et ne voyageraient pas jusqu'à Marrakech.

4 Nom de l'opération :
Ce processus s'appelle la Modulation.

5 Spécificité de l'AM :
En modulation d'amplitude (AM), c'est uniquement l'amplitude (la hauteur des vagues du signal Haute Fréquence) qui est modifiée au rythme de l'information. Sa fréquence d'oscillation (150 MHz), elle, reste rigoureusement constante.

6 Fréquence captée :
L'antenne réceptrice captera une onde dont la fréquence est exactement de $150 \text{ MHz}$.
Justification : Comme vu en activité expérimentale, l'onde électromagnétique se propage dans l'air sans que sa fréquence ne soit modifiée entre l'émetteur et le récepteur ($f_{Emis} = f_{Reçu}$).

6. QCM : 30 questions

7. Fiches d'expériences

Pour les enseignants et pour préparer les travaux pratiques.

Transmission d'un signal et conservation de la fréquence

Identification

Partie Physique Unité Les Ondes Électromagnétiques
Titre Transmission d'un signal et conservation de la fréquence
Durée 25 minutes

Cadre pédagogique

Objectifs de l'expérience Précautions et orientations Conseils techniques
  • Calculer une fréquence à partir d'une période mesurée sur l'oscilloscope.
  • Comparer la fréquence du signal émis et celle du signal reçu.
  • Démontrer la conservation de la fréquence lors de la propagation.
  • Vérifier les unités lors du calcul ($T$ en secondes, $f$ en Hertz).
  • S'assurer de l'alignement correct de l'émetteur et du récepteur.
  • Régler convenablement la base de temps de l'oscilloscope pour lire la période $T_R$.
  • Utiliser le GBF pour fixer une fréquence d'émission stable.

Dispositif expérimental

Montage expérimental Dispositif d'émission et de réception composé d'un module émetteur face à un récepteur espacés de quelques mètres, reliés aux appareils de mesure et d'alimentation.
Matériel et Réactifs Émetteur ultrasonique, Récepteur ultrasonique, Générateur Basse Fréquence (GBF), Oscilloscope bicourbe, fils de connexion.

Déroulement et exploitation

Étapes expérimentales Questions de l'activité Résultats attendus Réponses & Conclusions
1. Relier l'émetteur au GBF et fixer la fréquence d'émission à $f_E = 40 \text{ kHz}$. 1. En mesurant la période $T_R$ sur l'écran, calculer la fréquence du signal reçu $f_R$. Lecture de la période sur l'oscilloscope : $T_R = 25 \;\mu\text{s}$. $f_R = \frac{1}{T_R} = \frac{1}{25 \cdot 10^{-6}} = 40\,000 \text{ Hz}$ soit $40 \text{ kHz}$.
2. Visualiser le signal capté par le récepteur et comparer les fréquences. 2. Comparer la fréquence du signal émis $f_E$ et celle du signal reçu $f_R$. Les deux valeurs numériques obtenues sont strictement identiques. On constate que $f_E = f_R$.
3. Analyser le comportement de l'onde lors de sa propagation. 3. Quelle conclusion fondamentale tirer concernant le signal véhiculé ? La propagation dans l'air ne modifie pas le rythme d'oscillation. L'information transmise et le signal reçu ont exactement la même fréquence. La fréquence est un invariant de la propagation.

Bilan et évaluation

Bilan de l'expérience
Lors de la transmission d'un signal entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice, l'onde qui se propage dans le milieu conserve rigoureusement sa fréquence. Le signal électrique restitué par le récepteur oscille au même rythme que le signal électrique imposé à l'émetteur.
Questions d'évaluation
Q1. Quelle relation mathématique permet de calculer la fréquence à partir de la période ? Q2. Si un signal est émis à $100 \text{ MHz}$, quelle sera la fréquence captée par le récepteur ? Q3. Quel est le rôle principal du Générateur Basse Fréquence (GBF) dans ce montage ?
Le problème des dimensions et nécessité de la modulation

Identification

Partie Physique Unité Les Ondes Électromagnétiques
Titre Le problème des dimensions et nécessité de la modulation
Durée 25 minutes

Cadre pédagogique

Objectifs de l'expérience Précautions et orientations Conseils techniques
  • Appliquer la relation $\lambda = c / f$.
  • Démontrer mathématiquement l'impossibilité de transmettre un signal Basse Fréquence.
  • Justifier l'utilisation d'une onde porteuse de Haute Fréquence.
  • Respecter les unités du Système International ($\text{m/s}$, $\text{Hz}$, $\text{m}$).
  • Activité d'analyse documentaire et dimensionnelle.
  • Convertir le résultat de la longueur d'onde en kilomètres pour mieux visualiser l'échelle.
  • Rappeler la condition de l'antenne : $L = \lambda / 2$.

Dispositif expérimental

Montage expérimental Étude dimensionnelle et mathématique des contraintes physiques de rayonnement d'une antenne émettrice.
Données physiques Célérité de la lumière $c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$. Fréquence vocale moyenne $f = 100 \text{ Hz}$. Dimension optimale d'une antenne $L = \lambda / 2$.

Déroulement et exploitation

Étapes de l'étude Questions de l'activité Résultats attendus Réponses & Conclusions
1. Étudier la transmission directe de la voix humaine (Basse Fréquence). 1. Calculer en mètres, puis en km, la longueur d'onde $\lambda$ correspondant à la voix. Application directe de la relation entre $\lambda$, $c$ et $f$. $\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \cdot 10^8}{100} = 3 \cdot 10^6 \text{ m}$ soit $3\,000 \text{ km}$.
2. Évaluer la dimension physique de l'antenne émettrice correspondante. 2. En déduire la taille physique $L$ de l'antenne nécessaire.
3. Est-ce réalisable ?		 Calcul de la taille théorique et jugement de sa faisabilité. 2. $L = \frac{\lambda}{2} = \frac{3000}{2} = \mathbf{1\,500 \text{ km}}$.
3. C'est technologiquement impossible à construire.
3. Proposer une solution technique au problème dimensionnel. 4. Quelle caractéristique du signal doit-on augmenter pour réduire l'antenne à $\sim 1,5\text{m}$ ? Recherche du paramètre à ajuster dans la formule $\lambda = c / f$. Puisque $\lambda$ et $f$ sont inversement proportionnels, il faut utiliser une onde de très Haute Fréquence.

Bilan et évaluation

Bilan de l'expérience
La transmission directe d'un signal Basse Fréquence (comme le son) nécessite des antennes de tailles kilométriques irréalisables. Pour résoudre ce problème, il est indispensable de faire porter l'information par une onde électromagnétique de très Haute Fréquence (dont la longueur d'onde est petite) : c'est la Modulation.
Questions d'évaluation
Q1. Quelle est la condition liant la taille optimale $L$ de l'antenne à la longueur d'onde $\lambda$ ? Q2. Comment évolue la taille requise d'une antenne si on augmente la fréquence du signal ? Q3. Qu'est-ce que l'opération de "Modulation" permet de résoudre concrètement ?

8. Documents à télécharger