13 janvier 2008
Les interactions électromagnétiques
Vous avez dit "Électromagnétisme" ?
L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique, produit par les sources du champ que sont les charges électriques et leurs mouvements. Ce champ produit agit à son tour sur les charges [1].
Les équations de Maxwell déterminent le champ électromagnétique à partir des sources, des charges et des courants. Le champ exerce quant à lui sur la matière une action mécanique, la force de Lorentz, qui explique l'interaction électromagnétique.
L'interaction électromagnétique est une des quatre interactions fondamentales. Elle explique le comportement des objets de l'échelle atomique (comportement des électrons, des atomes et des molécules).
Domaines associés à l'électromagnétisme
L’électromagnétisme englobe différents domaines dont l'électricité, regroupant les phénomènes électriques et magnétiques suivants [1] :
L’électrostatique : Les systèmes de charges électriques à l’équilibre,
La magnétostatique : Les phénomènes créés par un courant électrique stationnaire,
L'induction magnétique : Les phénomènes magnétiques créés par un courant électrique variable,
L'électrodynamique : Les interactions dynamiques entre courants électriques,
L’électronique : L'utilisation de tension, de courants généralement faibles et de phénomènes quantiques. L’électronique sert essentiellement pour le transfert, le contrôle et le traitement de l’information, et
L’électrocinétique ou l'électrotechnique : L’utilisation de tensions, de courants moyens à élevés pour des applications domestiques et industrielles (chauffage, transformateurs, moteurs électriques, électrolyse, électroménager, distribution, automatisation, ...).
La radioélectricité : Les transmissions par ondes électromagnétiques.
L'interaction électromagnétique
L'interaction électromagnétique est l'interaction fondamentale dont les effets sont les plus fréquents dans la vie courante. Ainsi la quasi-totalité des phénomènes de la vie quotidienne (en dehors de la pesanteur) découle de l'électromagnétisme [2].
L'effet de l'interaction électromagnétique peut être attractif ou répulsif. Ces différences sont faciles à vérifier par les effets électrostatiques ou magnétiques (feuilles de papier, aimants, etc...).
L'interaction électromagnetique s'applique à toute particule possédant une charge électrique non-nulle. Il existe des charges électriques positives et négatives. Les particules élémentaires libres possèdent des charges électriques quantifiées, c'est à dire qu'elles ont toutes une charge électrique égale à un nombre entier de fois la charge électrique élémentaire appelée e = 1,6.10-19 C. Un électron a une charge électrique -e et un proton une charge électrique +e. Le fait que les charges électriques soient quantifiées n'est toujours pas compris à l'heure actuelle. Les charges électriques sont additives. Le système formé par un proton et un électron (un atome d'hydrogène) a donc une charge électrique nulle. Il est donc électriquement neutre (i.e. il est insensible à l'interaction électromagnétique). Les atomes, et donc la matière ordinaire, sont ainsi électriquement neutres.
La force coulombienne dérivée des équations de Maxwell (que nous allons traiter dans un prochain article) permet de calculer les effets électrostatiques sur des charges électriques au repos. Le champ électrique créé par une charge électrique Q (en Coulomb, noté C) situé à une distance d (en mètres, noté m) est donné par :
E = 8,99.109 Q/d2
La force coulombienne subie par une charge électrique q (en C) est alors :
F = q.E
On voit que le signe de F dépend du signe du produit Q.q : si les deux charges Q et q sont du même signe, l'effet est répulsif, sinon il est attractif. L'intensité de cette force est très importante. Par exemple, la force de répulsion électrostatique entre deux personnes de 80 kg situées à une distance d'1 m, si chacune de ces personnes avait un excès d'un électron sur un million, serait F = 1017 N soit la même force que le poids d'un objet de dix mille milliards de tonnes à la surface de la Terre ! Heureusement, la matière est électriquement neutre, ce qui permet de ne pas subir ce genre d'effet dans la vie courante...
La particule vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Ainsi, bien plus qu'un ``grain de lumière'', ou tout simplement l'aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques, le photon est aussi la particule de rayonnement échangée par les particules de matière lorsqu'elles interagissent par électromagnétisme. Le photon a une masse nulle, ce qui permet donc des interactions électromagnétiques à une distance infinie, bien sûr avec une diminution de l'intensité. Le photon se déplace à la vitesse de la lumière c = 299792458 m/s, ce qui semble être une tautologie mais, en fait, la lumière se déplace à cette vitesse parce que le photon a une masse nulle (dans la théorie de la relativité restreinte, une particule de masse nulle ne peut pas être au repos et doit se déplacer à la vitesse c)... Il se trouve seulement que cette vitesse universelle c a été mesurée pour la première fois avec de la lumière.
De façon plus générale, une interation électromagnétiqiue peut être définit en utilisant la force de Lorentz. En effet, la force de Lorentz désigne [3] :
- où
est la Force électromagnétique ou Force de Lorentz, en newton (noté N)
est la charge de la particule, en coulomb (noté C) 
est le champ électrique, en volt par mètre (noté V/m) 
est la vitesse de la particule, en mètre par seconde (noté m/s) 
est le champ magnétique, en tesla (noté T)
Toutes ces grandeurs sont mesurées dans le même référentiel galiléen au point où se trouve la particule.
Le cas particulier de cette force appliquée à une charge q en l'absence de champ électrique.
C'est alors la force magnétique qu'on appelle généralement force de Laplace, dont l'expression est :
où
- est la vitesse de la particule chargée
- est le champ magnétique
Nous en déduisons donc que la force de Lorentz, dans le cas la plus générale, est la somme de la force Coulombienne (force électrique ou interaction électrique appliquée sur la charge) et la force de Laplace (force/interaction purement magnétique).
Références
[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectromagn%C3%A9tisme
[2] http://www.cerimes.education.fr/e_doc/forces/electromagnetique.htm
[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Lorentz
Une série de tutoriaux en électromagnétisme
L'objectif de ce blog est de présenter certains sujets scientifiques d'une façon vulgarisée et accessible aux non spécialistes du domaine traité. Loin des équations mathématiques, on peut des fois présenter mieux un phénomène et détailler ses principes. Toutesfois la plupart des fois, nous avons besoin de présenter un minimum de théorie pour pouvoir comprendre un phénomène donné.
Dans la suite, je vais essayer de présenter quelques sujets reliés au domaine de l'électromagnétisme. Dans ces sujets, je ferai de mon mieux pour simplifier le plus que possible les notions présentées.
Je compte sur vous pour toute correction, rectification ou ajout. Laissez surtout un commentaire. Merci et bonne lecture.
02 janvier 2008
Le WiMAX, une technologie d'avenir...
La demande d'une connectivité haut-débit à Internet et aux réseaux de télécommunications en général ne cesse d'augmenter de jour en jour. L'introduction de noveaux services et les exigences des applications qui y sont reliées dont entre autres une grande bande passante et un accès temps-reél aux données d'une manière flexible, sécurisée et interopérable amène les spécialistes à penser à d'autres technologies autres que l'ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line ou Ligne numérique à débit asymétrique). Parmi les idées innovantes, on trouve le Wimax. Il s'agit en vérité d'une famille de normes, certaines encore en cours d'élaboration chantier, définissant les connexions à haut-débit par voie hertzienne. C'est également un nom commercial pour ces normes, comme l'est Wi-Fi pour 802.11 (la Wi-Fi Alliance est en cela comparable au WiMAX Forum) [1]. Le WiMAX (acronyme pour Worldwide Interoperability for Microwave Access) représente une réponse pour des connexions sans-fil à haut-débit sur des zones de couverture de plusieurs kilomètres, permettant des usages en situation fixe ou en mobilité [2].
Il s'agit d'un consortium qui s'est montée en 2003 pour permettre la convergence et l'interopérabilité entre deux standards de réseaux sans fils auparavant indépendants : HiperMAN, proposé en Europe par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) et 802.16 proposé par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [2]. L'interopérabilité est obtenue par les voies de la normalisation et de la certification, et est un des enjeux majeurs du WiMAX, comme elle l'a été, avec un assez bon succès, pour le Wi-Fi. C'est un enjeu d'autant plus important que WiMAX est définit pour une large bande de fréquences, de 2 à 66 GHz, dans laquelle on trouve des technologies existantes, comme le Wi-Fi, et qui autorise des débits, des portées et des usages très variés.
Cette multiplicité des bandes de fréquences visées, des débits, portées et usages possibles, est d'ailleurs le principal écueil qu'affronte le commentateur : selon l'angle choisi, WiMAX est tour à tour un simple prolongement du Wi-Fi, le cœur de réseau du Wi-Fi, ou mieux, la convergence du Wi-Fi et du réseau cellulaire de troisième génération (UMTS ou Universal Mobile Telecommunication System, dite souvent la troisième génération « 3G ») [1].
Figure I: Logo du Wimax Forum
Wimax repose sur la famille de standards IEEE 802.16. Cette famille est axé sur les travaux du groupe de travail IEEE 802.16. Parmi les standards de cette famille, on distingue IEEE 802.16d, respectivement IEEE 802.16e, qui effectue la révision des standards de base (i.e. IEEE 802.16, IEEE 802.16a et c), respectivement apporte la mobilité.
Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories [3] :
WiMAX fixe, également appelé IEEE 802.16-2004, est prévu pour un usage fixe avec une antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV. Le WiMAX fixe opère dans les bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz.
WiMAX mobile (en anglais WiMAX portable), également baptisé IEEE 802.16e, prévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au réseau internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit.
A titre de comparaison:
| Standard | Bande de fréquence | Débit | Portée |
|---|---|---|---|
| WiMAX fixe (802.16-2004) | 2-11 GHz (3,5 GHz en Europe) | 75 Mbits/s | 10 km |
| WiMAX mobile (802.16e) | 2-6 GHz | 30 Mbits/s | 3,5 km |
Applications
Autre la couverture des zones géograpgiques inaccessibles et lointaines des zones urbaines tels que les zones rurales isolées (où le déploiment des réseaux de communications classiques est très coûteux et peu rentable), les applications du Wimax sont nombreuses. Parmi ses applications , on distingue:
Il est important de noter que le standard WiMAX intègre nativement la notion de Qualité de Service (souvent notée QoS pour Quality Of Service), c'est-à-dire la capacité à garantir le fonctionnement d'un service à un utilisateur. Dans la pratique, WiMAX permet ainsi de réserver une bande-passante pour un usage donné. En effet, certains usages ne peuvent pas tolérer de goulots d'étranglement. C'est le cas notamment de la voix sur IP (VOIP) car la communication orale ne peut pas tolérer de coupures de l'ordre de la seconde [3].
Références
[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/Worldwide_Interoperability_for_Microwave_Access