Électricité et ondes en physique : cours de Terminale SI

En sciences de l'ingénieur, tu manipules deux mondes qui se répondent : celui des signaux électriques, qui circulent dans des fils et des composants, et celui des ondes, qui transportent de l'information à travers l'espace. Une radio, un téléphone ou une liaison sans fil utilisent les deux : un signal électrique est produit, il est converti en onde, l'onde voyage, puis elle est reconvertie en signal électrique.

Le programme présente les ondes sonores et les ondes électromagnétiques comme des vecteurs d'information ². En Première, tu as rencontré les caractéristiques d'une onde ainsi que sa propagation, son absorption et sa réflexion ². En Terminale, on adopte le point de vue des télécommunications : on place les ondes utilisées sur une échelle de fréquences ², et on remet en service la formule qui relie λ, f et c, déjà rencontrée en Première ².

Ce cours suit un fil simple. On commence par le courant électrique et sa version alternative, on décrit ensuite un signal sinusoïdal par sa fréquence et sa période, puis on passe aux ondes radio, à leurs domaines de fréquences, à la relation qui lie fréquence et longueur d'onde, et enfin à l'affaiblissement d'une onde quand elle s'éloigne de sa source. Tu as déjà vu le chapitre « Mécanique et énergie » : l'idée de grandeur qui varie dans le temps et celle de puissance te serviront ici.

Tu connais déjà des manifestations de l'électricité : la foudre, l'électricité statique, mais aussi l'échauffement d'un conducteur ou les décharges de courant ⁴. Dans tous les cas, ce sont des charges qui sont en cause. Quand elles sont au repos, on parle d'électricité statique ; quand elles se déplacent de manière ordonnée dans un conducteur, on parle de courant électrique.

Cette forme sinusoïdale se modélise par une fonction du temps. Pour une tension alternative sinusoïdale, on écrit :

$u(t) = U_{max}\,\sin(2\pi f\,t)$

où $U_{max}$ est la valeur maximale (l'amplitude), $f$ la fréquence en hertz (Hz) et $t$ le temps en secondes. La tension passe alternativement par des valeurs positives et négatives : c'est ce qui traduit l'inversion répétée du courant.

Une onde transporte de l'énergie et de l'information d'un point à un autre sans transporter de matière sur toute la distance. Le programme distingue deux familles à connaître : les ondes sonores et les ondes électromagnétiques ². Les premières sont des ondes acoustiques, donc mécaniques ³ ; les secondes se propagent dans l'espace sans support matériel ³.

Pour décrire une onde, on utilise des grandeurs que tu connais depuis la Première : sa fréquence $f$ (en Hz), sa période $T$ (en s), sa célérité $c$ (en m/s) et sa longueur d'onde $\lambda$ (en m), c'est-à-dire la distance parcourue par l'onde pendant une période. En Terminale, on n'étudie pas la structure interne de l'onde électromagnétique ² : on travaille avec ses grandeurs mesurables.

Par convention, les ondes radioélectriques occupent la plage de 9 kHz à 300 GHz, soit des longueurs d'onde comprises entre 33 km et 1 mm ³. Parmi elles, lorsque la longueur d'onde dans le vide dépasse 1 m (donc pour des fréquences sous 300 MHz), on parle d'ondes radiofréquences ³.

Le vocabulaire du son a lui aussi ses bornes. Pour éviter les ambiguïtés avec la sonorisation, on emploie le terme audiofréquence plutôt que « basse fréquence » pour les ondes acoustiques ou les signaux électriques liés au son dans la bande de 30 Hz à 30 kHz ³. Un signal audiofréquence est donc un signal électrique qui « ressemble » au son ; il peut ensuite être transporté par une onde radio de fréquence bien plus élevée.

Pour une onde électromagnétique dans le vide, la célérité est celle de la lumière ³. Dans les exercices, on la donne sous la forme $c = 3{,}00\times 10^{8}\ \text{m/s}$. Cette valeur est cohérente avec les bornes de l'échelle radioélectrique : à 300 GHz, on trouve $\lambda = \dfrac{3\times 10^{8}}{3\times 10^{11}} = 10^{-3}\ \text{m} = 1\ \text{mm}$, et à 9 kHz, $\lambda = \dfrac{3\times 10^{8}}{9\times 10^{3}} \approx 3{,}3\times 10^{4}\ \text{m} = 33\ \text{km}$, ce qui retombe sur les deux extrémités de la plage annoncée plus haut ³.

Comme toutes les ondes électromagnétiques, les ondes radio avancent dans le vide à la vitesse de la lumière ³. En revanche, la puissance qu'elles transportent par unité de surface s'affaiblit à mesure qu'elles s'éloignent de l'émetteur : l'équation des télécommunications relie cet affaiblissement au carré de la distance parcourue ³.

Pour mesurer une onde électromagnétique de façon professionnelle, on utilise une antenne étalonnée, adaptée aux fréquences visées, suivie d'un appareil de mesure électronique ³. L'antenne joue le rôle de capteur : elle convertit l'onde en un signal électrique, que l'on peut ensuite observer et analyser. C'est le même principe que celui d'un récepteur radio.