Ondes électromagnétiques : ça capte ? | Déclics | ARTE

Rediffusé jusqu’au 03/04/2024
#sciences #ondes #ArteFamily
Communiquer sur de longues distances, progresser dans l’obscurité sans se faire repérer ou connaître à tout moment sa position sur Terre sont devenus courants. De Pythagore au wi-fi, cet épisode relate les moments clés qui ont permis à l’être humain de maîtriser les ondes électromagnétiques.

Des expériences réalisées avec des objets du quotidien, des petites histoires dans la grande, des paraboles : à travers une narration enlevée et des illustrations concrètes, cette série d’animation documentaire écrite par Pierre Lergenmüller (Points de repères) se propose de décrypter treize concepts épineux en les rendant accessibles à tous, y compris au jeune public et aux esprits hermétiques à la science.

Programme jeunesse (France, 2020, 26mn)

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Pour ces chasseurs du néolithique l’instant est crucial après une approche silencieuse au milieu des hautes herbes ils ont réussi à cerner ce bison des step sans se faire [Musique] repérer ils doivent maintenant parvenir à se coordonner sans bruit pour tous attaquer en même temps sinon la chasse sera un

Échec aujourd’hui le monde entier est connecté communiquer sur de longues distances progresser dans l’obscurité sans se faire repérer ou observer de loin sont devenu des choses banales à tout instant on peut savoir où l’on est sur la terre allez c’est parti pour vivre les moments clés qui ont permis à

L’humanité de maîtriser les ondes [Musique] électromagnétiques [Musique] nuit d’orage 3e siècle avant notre ère au large d’Alexandrie soumis à une mer déchaînée ces marins n’ont qu’un seul espoir au loin une faible lueur leur indique la voix du salut au sommet du célèbre phare d’Alexandrie aujourd’hui détruit un brasier entretenu nuit et jour pouvait

Être vu à plusieurs dizaines de kilomètres communiquer à distance et rapidement a toujours été l’un des défis des civilisations humaines au 18e siècle dans une France révolutionnaire en guerre la mise en place du télégraphe optique est une question de nationale de l’autre côté de l’Atlantique à partir de 1832 l’invention du télégraphe électrique

Associé au code de l’américain Samuel mors marque un tournant sa vitesse et sa porté n’ont pas d’égal en 10 ans à peine 35000 km de ligne sont déjà en service aux États-Unis allez un peu de bricolage on va fabriquer un système basique de communication c’est tout bête deux pot

De yaourt et une longue ficelle d’au moins 3 m on fait un trou au fond de chaque poau on y fait passer la ficelle et on fait des nœuds pour la bloquer on éloigne les deux pots de manière à ce que la corde soit bien tendue et on est bon si on

Parle dans l’un des pots le son de la voix passe de l’autre côté alors qu’est-ce qui se passe lorsqu’on parle notre laryinx émet des vibrations ce sont des ondes sonores ces vibrations se propagent dans l’air jusqu’au fond du pot puis sont porté par la

Ficelle à 3 m de là le fond du second pot se met à vibrer à son tour l’onde se propage alors dans l’air jusqu’au tympan de l’oreille du récepteur la principale limite est la taille de la corde si elle est trop longue l’onde sonore n’aura plus assez d’énergie lorsqu’elle arrivera au bout

Le télégraphe lui fonctionne de façon un peu différente le principe ne repose pas sur une onde sonore mais sur du courant électrique on voici une version simplifiée il faut juste un peu de fil électrique une pile et une ampoule si mon circuit est ouvert c’est-à-dire si le courant ne circule pas l’ampoule est

Éteinte si je le ferme elle s’allume il ne vous faut pas plus pour communiquer de façon basique il suffit juste de mettre en place un code par exemple l’ampoule allumée signifie oui éteinte elle veut dire non plus le code est sophistiqué comme le morse et plus les messages transmis peuvent être complexes

Le gros avantage par rapport au pot de yaourt c’est que les messages peuvent être portés beaucoup plus loin et beaucoup plus vite dans la Grèce antique le mathématicien Pythagore avait déjà constaté un rapport entre la vibration de cordes et le son qu’elles émettent un pas important alors que la

Nature même des ondes les rendait difficile à étudier il faut attendre la fin du 16e siècle pour que l’on s’intéresse à nouveau au phénomène le savant italien Galilé parvient à relier le nombre de vibration d’une corde à sa longueur sa masse et sa tension il cherche à comprendre pourquoi

Les cordes plus fines et plus des son plus AIG une onde c’est quoi exactement si on veut faire simple on peut dire que c’est le déplacement d’une perturbation bon on n pas forcément plus avancé alors pour être plus concret observons cet aquarium rempli d’eau pour l’instant tout est calme à la surface

Mais si je laisse tomber une pierre on voilà une belle onde la surface semble animée par un mouvement concentrique qui se répète en s’éloignant du point d’impact une fois la vague passée la surface se creuse jusqu’à ce qu’une autre vague remplace la première c’est ça notre perturbation notre onde en

L’occurrence il s’agit d’une onde mécanique c’est-à-dire qu’elle a besoin d’un support pour se propager ici c’est dans du liquide mais cela peut aussi être dans du gaz comme l’air ou dans des solides comme la corde de nos peau de yaourt les vagues des océans tout comme les tremblements de terre sont des

Phénomène ondulatoire mécanique pour mieux visualiser faisons comme Galilée et secouons ces deux cordes à des vitesses différentes les secousses se propagent le long des cordes et les font bouger de haut en bas on dit que plus il y a d’oscillation par seconde plus la fréquence d’une onde est

Élevée une fréquence se mesure Herz 100 Hz indique 100 oscillation par seconde maintenant mettons sur pause les deux cordes n’ont clairement pas la même forme l’une a des oscillations plutôt rapprochées et courtes l’autre une unique et longue variation on appelle amplitude l’intensité des variations par exemple plus l’amplitude d’une onde sonore est

Grande plus le son est fort allez courage on y est presque la longueur d’onde sert à mesurer la longueur de chaque oscillation longueur d’onde et fréquence sont lié enfin la célérité indique la vitesse à laquelle l’onde se déplace la fin du 17e siècle est marqué par un conflit scientifique majeur autour d’une question

Clé qu’est-ce que la lumière est-elle un flux de particules théorie défendue par Isaac Newton ou une onde comme pense Christian hugens cette question ne sera pas tranchée de leur vivant bien plus tard à l’au du 19e siècle l’anglais Thomas Young mène une expérience qui va le rendre célèbre la fameuse expérience de

La double Fante l’expérience des deux fente de J j’adore pour bien comprendre il faut deux étapes la première on prend cette feuille de carton ce mur en plâtre bien lisse et une bombe de peinture on découpe une fente dans le carton et on s’en sert comme pochoir pour peindre le

Mur ok pour l’instant le résultat n’est pas surprenant on obtient une tache de peinture globalement de la forme de la fente on découpe maintenant une deuxième fente et on recommence on obtient deux marques de peinture parallèles on peut comparer cette première d’expérience à la théorie de Newton la lumière serait constituée de

Particules comme la peinture est constituée de gouttes et quand les deux se déplacent elles le font en ligne droite on garde ce résultat en tête et on passe à l’étape 2 l’observation de vague qui se déplace à la surface de l’eau dans notre aquarium voilà à quoi ressemblent nos

Vagues quand elles se déplacent tranquillement sans obstacle voici maintenant la même expérience mais avec au milieu de l’aquarium un barrage muni d’une fente les ondes changent de forme elles deviennent circulaires on dit qu’elles sont diffracté avec deux fentes ça devient très intéressant dans certaines zones les deux ondes semblent s’ajouter se

Cumuler dans d’autres inversement on dirait qu’elle s’annule il n’y a plus de vague c’est ce que l’on appelle des interférences et bien j va tenter la même chose avec de la lumière il va obtenir les mêmes résultats qu’avec l’aquarium les taches de lumière sur le mur sont typiques d’une onde si

L’on s’en tient uniquement à cette expérience la lumière serait donc bien une onde et non une particule comme l’avait pressenti Wiens Écosse 19e siècle James Clerk Maxwell travaille à unifier deux grands domaines scientifiques l’électricité et le magnétisme ces équations dites de Maxwell sont encore largement utilisé de

Nos jours et ont posé les bases de la physique moderne il observe aussi que certains phénomènes électriques et magnétique peuvent créer un type d’onde un peu spécial aujourd’hui on les appelle onde électromagnétique en 1889 s’obstinant à vouloir vérifier les Maxwell le physicien allemandr Herz observe qu’il est possible de générer

Des arcs électriques à distance sans aucun contact il prouve qu’ils sont produits par des ondes électromagnétiques dont il parvient à mesurer la vitesse près de 300000 km par or à l’époque on a aussi réussi à mesurer la vitesse de la lumière et les résultats coïcident c’est un indice supplémentaire

La lumière serait donc une onde électromagnétique des ondes électromagnétiques il en existe tout un tas regardez ce tableau de famille elles y sont toutes répertoriier on l’appelle le spectre électromagnétique le nom est génial des ondes radio au rayon gamma capable de dégrader la structure de nos cellules il

S’agit de ne pas les mélanger en fait on peut les trier en fonction de leur longueur d’onde dans notre tableau de famille les grandes longueurs d’onde et donc les fréquences les moins élevées sont à gauche les très hautes fréquences à droite donc de gauche à droite on a

D’abord les onde radio du téléphone ou de la télévision puis viennent les microondes utilisées par le wifi les radars ou pour réchauffer nos plats la longueur d’onde continue à se raccourcir pour arriver aux infrarouges très utile pour les télécommandes les lunettes de vision nocturne ou les

Découpes au laser puis on arrive sur une plage très courte mais capitale celle de la lumière visible c’est au travers de cette petite partie du spectre électromagnétique que nous pouvons voir le monde qui nous entoure si on continue notre exploration vers le monde des hautes fréquen nous traverserons successivement les

Ultraviolet comme ceux émis par le soleil puis les rayons X que l’on utilise pour effectuer des radios médicales et enfin les rayons gamma notamment capable de détruire des cellules cancéreuses 1890 institut catholique de Paris le physicien français Édouard Bran parvient à reproduire l’expérience de temistok le kalzeki hesti un confrère

Italien lorsque de la limaille de fer est traversé par un courant électrique il constate qu’elle a tendance à se rassembler Bran observe le même phénomène à proximité d’un générateur électrique il se rend compte qu’il est possible de capter uneélectromagnétique à distance sans contact physique il appelle son dispositif de détection le

Radioconducteur quelques années plus tard Alexandre Popov professeur de physique à l’école navale russe améliore le dispositif grâce à une longue tige métallique l’antenne est née bon pour créer une onde mécanique ok il suffit de jeter une pierre dans une mare mais comment générer une onde électromagnétique on commence par ces

Aiments si on les rapproche les uns des autres soit ils vont s’attirer soit se repousser pourquoi parce que chacun d’eux possède un champ magnétique invisible à l’œil nu ce champ agit comme une force d’attraction répulsion maintenant si je fais passer mon ament dans une bobine de cuivre reliée à une ampoule l’ampoule

S’allume en fait en se déplaçant le champ magnétique de l’ément va générer un courant électrique et tout ça à distance sans même toucher la bobine on dit que l’ément induit un courant électrique et ce qui est génial c’est que l’inverse marche aussi les deux champs sont liés une variation de un

Champ électrique engendre un champ magnétique et inversement maintenant que l’on sait ça faisons passer du courant électrique alternatif c’est-à-dire qui va d’abord dans un sens puis dans l’autre dans une barre de métal conducteur une antenne le mouvement alternatif du courant va produire une perturbation du champ électromagnétique autour de

L’antenne cette perturbation c’est notre onde électromagnétique si on place une autre antenne un peu plus loin les ondes émises vont se déplacer jusqu’à elle et induire à leur tour un courant électrique dans le métal nous venons de transmettre un signal électrique à distance grâce à une onde

Elle n’a pas besoin de support physique une onde électromagnétique voyage bien plus vite et bien plus loin qu’une onde mécanique comme le son fin du 19e siècle après l’invention du radioconducteur et de l’antenne de nombreux autres scientifiques et inventeurs vont déposer des brevets qui vont permettre l’apparition de la

Radio dans la nuit de Noël 1906 il revient au Canadien rinal de Fessenden d’émettre la première transmission réussie il parle chante joue du violon devant un microphone inséré entre un générateur de courant alternatif et l’antenne au large en plein milieu de l’ATL noyé dans l’obscurité plusieurs opérateurs de radio télégraphie ont

Alors entendu avec effarmant de la musique la radio c’est un objet anodin et pourtant RAR sont les gens qui pourrai correctement expliquer son fonctionnement l’objectif de la radio est de transmettre un message depis un émetteur à destination de un ou plusieurs récepteurs qui se trouvent dans des lieux distincts et éloignés

Sans aucun lien entre eux pas de fil ni de peau de yaourt aucun contact visuel voilà ce qui se passe lorsque la personne est maîtrise du message parle elle produit des ondes sonores ces ondes viennent faire vibrer une membrane par exemple celle d’un micro et sont convertis en signal électrique c’est le

Message mais transmis directement il aurait une portée très faible serait très difficile à capter et pourrait être détérioré par de nombreuses interférences pas de problème il nous suffit de le coupler à une onde porteuse qui va servir de support pour le signal on dit que le message est

Modulé le signal électrique peut ensuite être dirigé vers une antenne où il est émis dans l’air sous forme d’onde électromagnétique il part alors à la vitesse de la lumière jusqu’à venir perturber le champ électrique de l’antenne du récepteur si le récepteur connaît la longueur de l’onde porteuse il peut se

Concentrer sur sa réception et analyser ses variations converti est redevenu un signal électrique le message arrive à un démodulateur qui va extraire le signal messager du signal porteur le tout est amplifié puis envoyé vers la membrane d’une enceinte pour être enfin transformé en onde sonore le

Message est délivré et tout ça en nomme battement de cil problème si tout le monde utilise les mêmes longueurs d’onde les messages vont se télescoper il y aura des interférences et quelqu’un qui se trouverait à porter de l’émetteur avec un récepteur pourrait capter et écouter discrètement le message même s’il ne lui

Est pas destiné pas super sécurisé ces ondes radio Hollywood 1940 Edie Lamar actrice autrichienne exilée aux États-Unis vient d’être surnommé la plus belle femme du monde par un metteur en scène à succès et si l’expression lui a longtemps collé à la peau aujourd’hui on la désigne plutôt comme l’actrice qui a inventé le

Wii pourquoi intellectuelle brillante grande joueuse d’échec et marié une première fois avec un industriel en moment Edy Lamar se familiarise très tôt avec le système de téléguidage des torpilles et en 1941 en collaboration avec un ami elle décide de participer à sa manière à l’effort de guerre contre les [Musique]

Nazis on sait comment fonctionne une radio et on connaît son point faible lorsqu’une torpille guidée par signal radio file vers sa cible il suffit de trouver la mission pour la détourner et la neutraliser bien sûr s’il ne connaî pas précisément la fréquence de l’onde porteuse l’opérateur radio ciblé par la

Torpille va devoir chercher à tâon c’est ce qu’on appelle scanner les fréquences mais il tombera tôt ou tard sur la bonne pour lui rendre la tâche plus difficile on peut utiliser le système imaginé par Eddie Lamar l’étalement de spectre par saut de fréquence et rien que le nom est déjà super

Dissuasif alors pour comprendre on va jouer à ta PL taaue dans ce jeu il faut être rapide pour taper avec un marteau sur la taupe qui sort des trous imaginons que la taupe soit le signal de guidage de la torpille et le marteau l’opérateur radio cherchant à le brouiller dans une transmission radio

Classique la taupe va sortir d’un trou et y rester le temps de mener la torpille jusqu’à sa cible même si joue à l’aveugle il est très facile de la dégommer il suffit de taper sur les trous les uns après les autres on finira bien par l’avir par contre dans un

Système par saut de fréquence la taupe va sortir de façon très Brè par un trou puis repartir pour réapparaître aussitôt dans un autre et encore un autre à chaque fois elle va donner de nouvelles informations de guidage très difficile pour ne pas dire impossible de l’avir à

Chaque fois en tapant au juger au mieux la chance nous permettra de brouiller la transmission durant quelques secondes ce ne sera pas suffisant la torpille atteindra sa cible presque à tous les coups le saut de fréquence c’est ça utiliser alternativement plusieurs ondes porteuses réparties dans une large bande

De fréquence pour rendre les messages très difficiles à brouiller ou à intercepter finalement l’invention d’edyamar ne sera pas utilisée pendant la Seconde Guerre mondiale mais dans les décennies suivantes elle a inspiré de nombreux ingénieurs et elle leur a permis de rendre nos moyens de télécommunication plus stable et plus

Efficace le GPS par exemple autrefois les marins se repéraent grâce à la position des astrre il yetttait avec angoisse la lueur du phare d’Alexandrie aujourd’hui plus personne n’envisage de prendre la mer sans un système de positionnement par satellite comme le GPS conçu à l’origine par et pour

L’armée américaine dans les années 70 ce système de positionnement par satellite fait partie de notre quotidien à tous aujourd’hui il est concurrencé entre autres par le système européen Galileo dans la famille objet du quotidien que tout le monde utilise sans vraiment comprendre comment ça marche

Après la radio je voudrais le GPS que ce soit sur notre téléphone ou dans notre voiture le site système de positionnement par satellite s’est très largement démocratisé super simple d’utilisation c’est pourtant un vrai concentré de science pour comprendre observons Francis tout repose sur la capacité de l’appareil de Francis à calculer

Précisément sa distance par rapport à des satellites on a vu que les ondes électromagnétiques se déplaçaient à la même vitesse que la lumière soit 300000 km/se donc un signal envoyé d’un satellite distant de milliers de kilomètres arrivera très vite mais pas instantanément il mettra quelques microsecondes si on est capable de

Mesurer précisément ce retard notamment avec des horloges atomiques on peut alors calculer la distance exacte qui sépare Francis du satellite dans notre cas 22000 km avec un seul satellite Francis sait donc qu’il se trouve quelque part sur un cercle de 57500 km de circonf super mais Francis n’est pas plus avancé

Avec un second satellite la solution s’affine Francis se trouve sur l’un des deux points formés par les intersections entre les deux cercles avec un troisième on touche au but mais c’est sonans compter que la terre est ronde et les satellites dans l’espace que l’on peut-être au niveau de la mer ou au

Sommet d’une montagne qu’il faut que Francis et le satellite soi calé à la nanoseconde près sur la même heure bref il faut un 4è satellite avec ces qu points de repère Francis devrait enfin connaître précisément sa position si seulement des phénomènes liés à la gravité et à la très grande

Vitesse des satellites ne venait pas perturber tous les calculs il faut donc aussi prendre en compte la théorie de la relativité générale d’instein pour affiner les calculs et éviter à Francis de se tromper de plusieurs kilomètres les technologies basées sur les ondes électromagnétiques ont changé le monde dans ce monde hypercnecté il

Est devenu plus facile d’avoir accès à Internet qu’à de l’eau potable ou à des toilettes nous pouvons être partout tout le temps tout voir tout savoir tout dire les ondes électromagnétiqu filent à travers l’espace à 300000 km par second à cette vitesse les notions de distance et de temps sont devenues toutes relatives

C’est par exemple le système planétaire le plus proche de nous alpha du sentor est situé à un peu plus de 4 années lumières avec la technologie actuelle il nous faudrait aux alentours de 100000 années pour y aller physiquement mais il ne faudrait que 4 ans à une onde électromagnétique pour

L’atteindre ça fait réfléchir [Musique] non [Applaudissements] [Musique] [Applaudissements] [Musique] [Applaudissements] [Musique]