LA RADIO, COMMENT ÇA MARCHE?
Frédéric MARTHALER (I), Albino IMPÉRIAL (2) (1)L.D.E.S., Université de Genève, (2) ancien réalisateur R.A.f.
MOTS· CLÉS : RADIO - CIRCUIT OSCILLANT - ONDES - COMMUNICATION
RÉSUMÉ: Après une approche du fonctionnement de l'ancêtre de la communication électrique (le téléphone), proposé l'an dernier, J'auteur a abordé cette fois, avec son collègue, les principes élémentaires du fonctionnement d'un autre important moyen de communication d'aujourd'hui: La Radio. L'atelier consacréàce thème a pern1is aux participants de construire eux-mêmes un récepteur de radio rudimentaire. Chacun a pu faire aussi un parcours complémentaire lOuchant
à
l'histoire de la radio en visitant l'exposition d'anciens appareils et composants de T.S.F., installée durant les Journées.SUMMARY : After an approach of the "Ancester's" eJectrical communication working-system (the telephone) suggested last year, the author together with his colleague, have commented the elementary principles of another important way of today's communication: The Radio. The teamwork dedicated tothis subject has given to the participants the opportunity to built themselves a radio-receiver using elementary materials. Each one has been abletaincrease his knowledge in relation with the radio history by visiting an exhibition of ancient radios and T.S.F. - components installed during these reunions.
A. GIORDAN, J,.L. MARTINAND et D. RAICIIVARG, Actes JIES XIX, 1997
p+
1. INTRODUCTION
Non seulement les usagers de la radio n'ont guère conscience de l'importance socioculturelle des liens tissés par ce mode de communication entre les citoyens du monde actuel et de son aspect économique, mais souvent aussi ils ignorent tout du fonctionnement technique de la transmission de sons et de la voix humaine par les ondes.
L'exposé qui a précédé les manipulations des participants a été conjointement présenté au rétroprojecteur par les auteurs au moyen de planches aussi exhaustives que possible. De plus, des démonstrations simples (appelées ici: Démo) ont aidé les participantsà mieux comprendre les origines scientifiques et historiques de la T.S.F. (téléphonie sans fil). Le résumé que nous en apportons ici n'a en aucun cas la prétention d'être un cours en soi. C'est un simple rappel des principes élémentaires de l'Électricité et du Magnétisme, destinéàceux qui ont panicipéàl'atelier. LI La Matière. Atome de Bohr. Charge électrique
Nous savons que la matière est composée d'alomes et de molécules. Chaque molécule est elle-même composée de plusieurs atomes, lesquels sont "tenus" ensemble par des forces électriques (Liaisons chimiques). Le modèle d'atome le plus simple a été imaginé par le physicien danois Niels Bohr. Chaque atome est constitué d'un noyau de charge électrique positive autour de laquelle gravitent des électrons de charge électrique négative. Les "briques" élémentaires des noyaux sont les protons (chargées positivement) et les neutrons, électriquement neutres.
C'est dans le noyau que se trouve concentrée presque toute la masse de la matière. Il y a dans chaque atome autant d'électrons que de protons dans le noyau. Relativement aux dimensions des noyaux, les espaces qui les sé(1arent des électrons sont énomles. Les distances des électrons au noyau sont associées à différents nivaux d'énergie. C'est comme un minuscule système solaire dont le soleil serait un noyau et les planètes des électrons.
1.2 Matériaux conducteurs et isolants. Le courant élecl rique L'atome le plus simple est l'atome d'hydrogène.
Il est constitué d'un noyau, comportant un seul proton (pl. et d'un électron (q) qui tourne sur l'orbite la plus proche possible. Certains atomes, bien plus complexes et bien plus lourds, comme ceux des métaux,
peuvent se constituer en cristaux, où les noyaux constituent un réseau régulier, dans lequel les électrons libres forment une sorte de ciment. La charge électrique totale est nulle, mais les électrons peuvent se déplacer facilement dans le réseau. Sous l'effet d'une force électromotrice extérieure (fournie par une pile, par exemple) les électrons peuvent se déplacer dans le cristal. Cestle cas des corps conducteurs d'électricité, comme le carbone ou les métaux (assemblage d'une multitude de petits cristaux). La circulation des électrons dans ces corps n'est autre que le courant électrique. Dans les corps isolants (bois sec, Bakélite, plastique) les charges électriques, soumises àla même force électrique, ne produisent pas un courant, mais peuvent s'accumuler localement, donnant au
corps en question une polarisation électrique capable d'influencer l'environnement (Démo : Attraction de petits morceaux de papiers par un manche de tournevis isolant frotté préalablement sur de l'étoffe.)
1.3 Semi-conducteurs. Générateurs de f.e.m. et courants électriques
Les éléments semi-conducteurs, comme le germanium (Ge), le silicium (Si) et le sulfure de Plomb, ou galène (PbS), se situent entre les conducteurs et les isolants.
Ces matériaux non métalliques présentent pourtant, sous certaines conditions, une soudaine grande mobilité des charges électriques. Cela donne la possibilité de contrôler de forts courants avec un modeste apport d'énergie (diodes, transistors, circuits intégrés).
Pour avoir un courant électrique, nous devons disposer d'une force électromotrice (Le.m) qui "pousse" les charges q (électrons) dans les conducteurs.
C'est ce que font les générateurs électriques, tels que les piles, etc., qui produisent cette f.e.m sous forme d'une différence de potentiel électrique,àsavoir une tension U, mesurable en volts [V] et qui, appliquéeàun circuit fermé, y fait passer un certain courant J, mesurable en ampères [AI.
1.4 Résistance. Loi d'Ohm. Loi de Joule
Comme l'eau qui circule dans un tuyau, nos charges électriques circulant dans un conducteur rencontrent une certaine résistance qui contrarie leur mouvement.
Cette résistance (R) està l'origine d'une certaine dissipation de puissance (P), à savoir une perte d'énergie (sous forme de chaleur) à chaque seconde (Effet Joule). L'unité d'énergie est le joule. Pour un certain matériau, la Résistance est une constante exprimée en ohm [n] et correspond au rapport entre tension et courant :
1R
=
U /J
(Loi d'Ohm)1
r
+
1p
11P
=
J .
R2 (Loi de Joule) 1Dans un circuit qui présente une résistance R, la puissance dissipée en chaleur est exprimée en watts [W=joule/seconde] et correspond au produit:
1.5 Champ électrique. Condensateur Le Champ électrique est une propriété du milieu, créée par n'importe quelle charge électrique dans le voisinage.
Si le nombre de charges présentes est grand, l'action peut se manifester macroscopiquement. (Démo) Si l'on construit un dispositif comportant deux armatures conductrices d'une certaine superficie S, parallèles,àune distance d, comportant un diélectrique (isolant, comme de l'air, du papier ou du plastique) interposé entre elles, on obtient un condensateur. Branchéàun générateur de tension U, le condensateur a la propriété de se "charger",àsavoir de faire passer un courant pendant un certain
temps t et, une fois débranché du circuit, le champ élecoique se conserve entre les armatures du condensateur. La grandeur qui exprime cette propriété s'appelle la capacité (C).
La capacité d'un condensateur est exprimée en farad [F] ou ses sous-multiples: microfarad
[llf
= 10-6 FI , picofarad [pF= 10- 12 FI. Les physiciens ont établi la relation simple:Lignes de celui d' un barreau allllantc (Démo:
Charge d'un condensateur, vue à
l'oscilloscope et, exemple naturel, la foudre: décharge rapide!)
=courant en A = temps en s U=tension en V
1
C=
J.
t / U [F]1.6 Champ magnétique
• Comme le champ électrique, le champ magnétique peut être à l'origine d'actions mécaniques macroscopiques. C'est par exemple la propriété naturelle de la magnétite (Fe203), un minéral contenant du fer, d'attirer de petits morceaux matériaux ferreux.
• La Terre manifeste elle même une attraction de cette nature dans une direction voisine des pôles. • On peut mettre en évidence n'importe quel champ magnétique avec une aiguille aimantée (boussole). Elle s'oriente selon ce qu'on appelle les "lignes de champ" qui donnent en tout lieu la direction de l'action. (Démo: Terre, aimant qui orientent l'aiguille de la boussole.)
1.7 Relation réversible entre courant électrique et champ magnétique
• Un courant circulant dans un conducteur entraîne la manifestation d'un champ magnétique dans les environs du conducteur. (Démo : boussole, minéral ferreux, fil épais parcouru par un fort courant.) • Si le conducteur forme une boucle, on réalise une concentration des lignes du champ magnétique. • Si le circuit est composé par plusieurs boucles, on obtient un solénoïde ou bobine (self) et l'intensité totale du champ magnétique sera:
[A. sp/mll n=nombre de spires
J
=courant1 = longueur de la self
1.8 Induction et Champ magnétique Pour nous, il est plus commode de considérer J'induction magnétique B, proportionnelle au
champ magnétique H. La constante de Champ magnétique engendré respcet;"elllent par une boucle Cl pJr un soléno.de
proportionnalité étant fl.f1o,(oùfi.dépend à son tour du type de matériau magnétique employé), on a
1B= ilfJ.oH [tesla
=
weber / m2=
volt. s / m2]1
Si dans un solénoïde on met un noyau de matériau magnetlque (fer doux, ferrite), il y a concentration (perméabilité) des lignes de champ, donc un renforcement du nux d'induction <!J, mesuré en weber ou voIt. seconde. Ce nux dépend de la sectionSdu noyau, exprimé en m2,donc le flux sera <1> =B . S.On met ce phénomèneàprofit pour réaliser des électroaimants par exemple. 1.9 Induction électromagnétique
Réciproquement, toute variation d'un champ magnétique voisin d'un circuit électrique (solénoïde, bobine avec ou sans noyau) va engendrer une f.e.m. capable de faire passer un courant électrique
J
dans le circuit (Loi de Lenz).Dans la relation ci-dessous, le signe (-) indique que la variation temporelle du flux induit une tension (Le.m.) qui s'opposeàla cause qui l'a produite.
Cette "inertie électromagnétique" (propriété des selfs) s'appelle coefficient de self-inductance, ou simplement inductance, dont le symbole est L et l'unité de mesure le henry[H=V .s / Al.
!lt
• L !lJ !lt
U
=
tension; t.<!J=
variation nux ; !lt=
var. du temps;L=
inductance;!lj=
variation d'intensité) (Démo: Aimant agité dans une bobine reliée au galvanomètre, qui met un courant en évidence!)m 1.10 Circuit oscillant et résonance.
Considérons maintenant le comportement de deux composants mis ensemble: un CON DEN SA TE UR C et une INDUCTANCE (self) L .
• Si le condensateur est chargé et que nous le déchargeons
à
travers une inductance, nous aurons un passage des charges électriques de CàL, et vice versa. Un peu comme dans un pendule élastique! Celle analogie électrique-mécanique se retrouve également dans la description mathématique du phénomène. En négligeant la résistance ohmique du circuit et la constante de frottement mécanique du pendule, on obtient les équations différentielles ci-dessous:Circuit oscillant Pendule élastique
I
.L dt2 +_C qo
m +kx
o
q=charge électrique L=inductance de la self C=
capacité du condensateur x=position de la masse m = masse oscillJntek=constant de rappel du resson
l.ll Fréquence de circuit oscillant ou du pendule
La solution de ces deux équations de même forme est la même dans les deux cas. On a, en négligeant le déphasage:
Mouvement des charges: Mouvement de la masse: q =qO sin 2Jtfo.t x=xo sin 21tfO.t
où fo est la fréquence propre du circuit, respectivement du système mécanique, tandis qo etXosont les amplitudes! C'est la description mathématique d'un mouvement oscillant sinusoïdal ou harmonique. Cela décrit simplement que, pour le pendule, l'énergie potentielle du ressort se transforme en énergie cinétique du mouvement de la masse, et réciproquement.Il en est de même pour notre circuit oscillant. L'énergie de C passeàla bobine L, laquelle la renvoieàC, et ainsi de suite. Le rythme de ce passage se fait justement à la fréquence propre du circuit.
On montre aisément les relations conditionnelles:
fo
=
(l/2n) . v(]/Le)ro
=
(l/27t) • V(k/m)où fa n'est rien d'autre que la fréquence de résonance du circuit et du système mécanique ci-dessus.
Le phénomène se traduit par un courant électrique alternatif plus ou moins rapide traversant le conducteur de la bobine qui, sans apport d'énergie externe, se maintiendrait éternellement si des pertes inévitables duesàla résistance ohmique du circuit oscillant ne se manifestaient. Le pendule aussi s'arrête après un moment, à cause du frottement interne dans le ressort et dans l'air. (Démo)
antenne émetteur 3ntenne récepteur
H
1.]2 La radiation. Onde électromagnétique (O.E.I\I.)
Notre circuit oscillant électrique H.F. (haute fréquence) est capable de perdre de l'énergie aussi dans l'environnement par radiation. Cela signifie que toute perturbation électromagnétique se propage alors de proche en proche dans le voisinage. C'est l'onde électromagnétique (O.E.M.)
L'o.E.M., comme une onde de la mer (ou d'un étang quand on y lance un caillou), transporte de l'énergie en utilisant la transformation réciproque du champ électrique en champ magnétique et ainsi de suite (même dans le vide).
Cette transmission d'énergie est considérablement augmentée lorsqu'une antenne (long conducteur libre) est couplée au circuit oscillant émetteur comme l'avait fait Marconi pour son oscillateur.
1.I3 Oscillations entretenues
• Les oscillations de notre circuit oscillant s'amortissent rapidement à cause des pertes internes et celles dues au rayonnement.
• Si nous voulons que l'onde émise ne soit plus une onde amortie, mais qu'elle continue dans le tempsàla même amplitude, il faut pour cela faire un apport externe d'énergieànotre circuit oscillant. • La méthode employée consiste à compenser les pertes au cours de chaque oscillation. A cause de ses caractéristiques particulières (résistance négative), la lampeàarc a joué un rôle historique dans les premiers émetteurs.
a)
Le moyen technique décisif pour réaliser le "miracle" de l'entretien de l'O.E.M. a été l'invention de la lampe à trois électrodes: latriode (1925). Plus tard (vers 1945), la lampe a pu être remplacée, par le transistor, basé sur les propriétés des semi-conducteurs. (Démo : Oscillateur à lampe.)
1.14 Transmission de messages par O.E.M. : la T.S.F.
• La première façon d'envoyer un message a été d'interrompre l'onde entretenue au rythme des points et des trailS de l'alphabet Morse (ex. le mOl RADIO) :
R=,-· A='- D=-" 1=··
0=---• Une autre façon de transmettre des informations est demoduler son amplitude (ou sa fréquence) au rythme des vibrations de la parole ou de la musique (spectre B.F. compris entre 20 Hz et 15 kHz, c'est-à-dire de 20 à 15 000 vibrations par seconde) alors que l'onde elle-même peut osciller plusieurs millions de fois par seconde (MHz)!
• Àla réception,ilsuffit de "redresser" le signal reçu par l'antenne branchée sur un autre circuit oscillant accordé sur la fréquence de l'émetteur (Résonance).
(Démo: Résonances mécanique et électrique.)
2. CONSTRUCTION D'UN RÉCEPTEUR L
2.1 Description et composition du circuit • un circuit oscillant L - C (C
=
400 pF, variable),• une diode pour redresser les courantsàhaute fréquence (galène de jadis !), • résistance-condensateur, écouteur et/ou amplificateur B.F. suivi d'un haut-parleur. 2.2 Indications
• Le tube de carton permet d'enrouler 30 à 60 spires de fil de cuivre émaillé de 3/10 de mm pour construire la "bobine" (self),
• le' condensateur variable, de modèle récent, miniaturisé, • la diode est du type au germanium et ne laisse passer le courant que dans un sens (redressement ).
2.3 Parcours du signal
a) Oscillations H.F. modulées par un son pur. (B.F.), b) signal redressé par la diode,
c) enveloppe du signal B.F. sur l'écouteur.
3. ÉVOCATION HISTORIQUE
b)
c)
T\
C\
\J
Vers 1860, le grand physicien Maxwell avait été frappé par les similitudes existant entre la lumière et l'électromagnétisme. Il affirma sans détour que (da lumière est faite des mêmes ondulations
transversales et du même support que celui des ondes électromagnétiques». Ses quatre célèbres équations, très abstraites, expliquent tous les phénomènes optiques et électriques. C'est un monument du génie humain. Pour mettre en pmtique ces nouvelles théories, Hertz, le premier, a tenté d'envoyer dans l'espace une onde électromagnétique et de la mettre en évidence quelques mètres plus loin grâce à un dispositif appelé récepteur et constitué d'un anneau métallique ouvert, dont les deux extrémités ne se rejoignaient pas tout-à-fait. Les petites étincelles passant d'une extrémitéàl'autre permettaient de détecter le signal. Beaucoup d'autres noms doivent être associés à ces cent ans de radio : Fleming, en 1905, avec sa diode àvide. Le Russe Popov eut lui l'idée de relier son récepteur équipé d'un tube de Branly à un paratonnerre qui a servi d'antenne de réception! Mais c'est Marconi qui a suggéré d'adapter une antenne à l'émetteur. C'est lui qui a prédit que le tube de Fleming allait ouvrir des horizons nouveaux à la radiotéléphonie. Il y a contribué par ses propres expériences. Vers 1906 le Général Dunwoodie, de l'armée américaine, a découvert qu'une matière, le carborundum produisait un phénomène qui échappait à la loi d'Ohm. Le détecteuràgalène, le modèle le plus simple de détecteur, n'était pas loin de faire son apparition! Ce fut ensuite la triode de Lee de Forest, qui imagina de placer dans la diode, entre cathode et anode, une troisième électrode, lagrj//e de commande,destinée à modifier le flux d'électrons. Marconi fut l'ingénieur remarquable qui a compris tout le parti que l'on pouvait tirer de ces premiers systèmes de télécommunication.Signor Marconi avait tout juste23ans! Le premier message transmis par l'illustre inventeur pour faire la démonstration de son système fut "Viva l'ltalia" ! Il montra ensuite comment les transmissions sans fil peuvent être utilisées pour communiquer avec des navires en mer, même s'ils sont bien au-delà de l'horizon. Le Il décembre 1901, Marconi réussit à transmettre de l'autre côté de l'Atlantique la lettre
"5,,
en code Morse (point-point-point) depuis Poldhu, en Cornouaille.4. CONCLUSION
Ce séminaire semble avoir été très apprécié par les participants. Des remarques et des critiques constructives, très bien étayées, fusaient de partout. Il est évidemment dommage qu'aucun émetteur d'ondes moyennes n'arrive à Chamonix dans de bonnes conditions, mais les appareils construits fonctionnaient, malgré leur côté très primitif, et l'honneur était sauf!
BIBLIOGRAPIIIE.
FENN R.E.,GEC-Marconi Communications, 1995.
IMPÉRIAL A,Valle d'Aosta e Telecomunicazioni,Documentario (RAI 3), 1993.
O'DELL D.H.,Marconi's magnetic domain,Electronics World+Wireless World, août 1993. ROSSELJ., Physique générale,Neuchâtel: Éd. du Griffon, 1988.
SOLARIL., Storia della Radio,Treves, 1939.
UER,Revue Technique,Lemme / Menicucci, Printemps 1995.
