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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 18:26

Dipôle replié sur décamétriques
Les antennes décamétriques 

 

Voir aussi : Les antennes pour THF - Coefficient de vélocité - Du dipôle replié à l'antenne cadre - Le doublet demi-onde -
Dipôle replié sur THF - 

Principe

Le dipôle replié se rencontre principalement dans deux applications : les antennes yagi multi-éléments et les antennes 88-108 MHz pour l'écoute de la bande FM de radiodiffusion. Un de ses avantages par rapport au doublet demi-onde est sa bande passante plus large, intéressante sur des bandes relativement larges comme la bande 80m (3,5 à 3,8 MHz) et la bande 10m (28 à 29,7 MHz) ou encore pour l'écoute des ondes courtes. 
Sur décamétrique, on utilise une ligne bifilaire court-circuitée à ses deux extrémités et dont un des deux conducteurs est coupé en deux et alimenté en son milieu. 
Une autre possibilité est d'utiliser 3 brins, l'impédance est alors 9 fois celle du dipôle demi-onde et la bande passante plus large.
Le dipôle demi-onde replié alimenté par une ligne bifilaire peut être utilisé sur décamétriques en utilisant une boîte de couplage à la sortie de l'émetteur. Dans ce cas un dipôle replié fonctionnant sur 7 MHz pourra également être utilisé sur la bande 21 MHz. 
Un des inconvénients du dipôle replié par rapport au doublet demi-onde est sa prise au vent plus importante. Si sa longueur dépasse 20 mètres il est nécessaire de le soutenir au milieu par un potelet isolant.
Le diagramme de rayonnement est comparable à celui du doublet demi-onde.

Impédance au point d'alimentation

Dans l'espace (ou à grande hauteur) l'impédance au point d'alimentation pour deux brins de même diamètre est de l'ordre de 300 ohms à condition que l'espacement entre les deux brins soit faible ( 0,02 à 0,05 lambda). On peut ainsi utiliser du twin-lead 300 ohms pour son alimentation. Pour un dipôle à 3 brins l'impédance est beaucoup plus grande puisqu'elle se situe vers 9 fois 72 ohms, c'est à dire 650 ohms. 
On peut considérer qu'un dipôle replié est la mise en parallèle de deux dipôles demi-onde. Pour une puissance donnée, le courant dans chacun des n brins de l'antenne estn fois plus petit que le courant qui circulerait dans un seul brin (cas du dipôle simple). L'impédance au point d'alimentation est égale à  l'impédance du dipôle simple. 
En présence du sol ou d'autres éléments conducteurs (gouttières, antennes, éléments parasites pour une yagi...) l'impédance peut descendre fortement. Un dipôle 80 m à deux brins, dont l'impédance en espace libre serait de 286 ohms, ne présente plus que 128 ohms en son centre quand il est à 10 mètres au-dessus d'un sol réel.

Bande passante

Le graphe ci-contre montre la courbe de ROS des 3 dipôles taillés pour la bande 80 mètres. Dans la simulation, ces antennes sont supposées être dans l'espace. Dans la réalité, les résultats seront quelque peu différents et les impédances mentionnées seront nettement plus basses à cause de la proximité du sol. La bande passante est mesurée pour un ROS inférieur à 2. Le pourcentage entre ( ) est celui de la bande passante par rapport à la fréquence de résonance de l'antenne.
(1) dipôle demi-onde simple : bande passante 200kHz (5%)
(2) dipôle replié à 2 brins : bande passante 400kHz (10%)
(3) dipôle replié à 3 brins : bande passante 500kHz (14%)



Réalisation

Sur décamétrique on utilise généralement deux fils maintenus entre eux par des entretoises légères. Dans le cas où l'espace à l'intérieur de la ligne rayonnante est occupé par de l'air la longueur physique du dipôle peut être calculée à l'aide de la formule : 
lg = 139/f avec f en MHz. 
Ecartement 
e d'axe à axe entre les deux conducteurs : environ lambda/40 soit :
e = 7/f avec f en MHz.
La longueur lg sera à ajuster en fonction de la hauteur de l'antenne au sol.



On peut aussi utiliser une ligne bifilaire 300 ohms appelé "twin-lead" constituée de deux conducteurs isolés et séparés par un isolant plastique qui lui donne une forme de ruban. Dans ce cas la longueur physique du trombone doit être multipliée par le coefficient de vélocité de la ligne utilisée (de l'ordre de 0,80) et la formule devient : 
Lphys = 115/f avec f en MHz. 
Un dipôle réalisé en twin-lead peut être utilisé en émission avec une puissance ne dépassant pas 100 watts. 


Réglages

Pour une antenne réalisée à l'aide d'une ligne bifilaire, l'ajustement de la longueur physique de l'antenne se fait comme pour un dipôle filaire simple. Le but étant de centrer la courbe de ROS en fonction de la bande de fréquence utile.

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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 18:18
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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 18:06

Différentes self BF

On rencontre principalement :
- la self de filtrage utilisée principalement sur les alimentations HT et dont le noyau magnétique est en tôles magnétiques. Sur la photo ci-jointe est représentée une self de 50 mH avec entrefer (réalisée par le rectangle de papier orangé)
- la self BF sur tore ou en pot ferrite (filtres BF pour la téléphonie, alim à découpage...)
Le transformateur est traité par ailleurs.

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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 18:00

Alimentation HT à tube
Retour au menu : Les alimentations - Index général

 

Cette page n'a pas d'autre intérêt que de donner à ceux qui restaurent du matériel ancien un schéma de base et quelques informations théoriques pour faciliter leurs interventions.

La diode ou valve

C'est à partir des années soixante que se sont répandus les redresseurs au sélénium et les diodes au silicium. Auparavant on utilisait des lampes contenant deux diodes appelées valves. Pour en savoir un peu plus sur le fonctionnement théorique de la diode à vide voir : La diode à vide ou valve de Fleming. Voir aussi les tubes à vide. Parmi les progrès permis par les diodes au silicium on a apprécié :
- Le rendement : très peu de pertes, par d'énergie gaspillée pour le chauffage du filament.
- Les performances : on trouve facilement des diodes au silicium qui peuvent débiter plusieurs ampères et résister à des tensions inverses de plus de 1000 volts
- Le prix, bien que les premiers redresseurs n'étaient pas donnés.
- L'encombrement : un tube à vide occupe au minimum 30 centimètres-cube ; une paire de diode au silicium, dix fois moins de place.
- L'absence d'élévation de température, liée au chauffage du filament du tube.
- La fiabilité et la durée de vie : un tube est fragile (ampoule en verre), son filament peut griller à la suite d'une surtension, la cathode d'un tube s'épuise et se détruit en cas de surcharge.

Schéma de base d'une alimentation secteur simple 

Le redressement à double alternance impose l'utilisation d'un transformateur avec un enroulement secondaire à prise milieu. La cellule de filtrage représentée comporte une résistance mais une self de quelques henrys serait préférable. Les condensateurs C sont souvent contenus dans le même boitier et ont une capacité de l'ordre de 50 µF.


La cellule de filtrage

Dans les récepteurs délivrant une puissance BF suffisante pour alimenter un haut-parleur la self de la cellule de filtrage est la bobine de l'électro-aimant du haut-parleur. Cette solution est économique et évite l'emploi d'une self séparée, le ronflement induit est négligeable. La self et les condensateurs peuvent être choisi pour que la fréquence de coupure du filtre passe-bas ainsi réalisé soit inférieure à 50 Hz pour une redressement à double-alternance. La section du fil de la self doit être le plus gros possible pour limiter la résistance ohmique et le circuit magnétique suffisamment dimensionné pour éviter sa saturation par le courant continu. L'ordre de grandeur des valeurs de composants :
L : 1 à 20 H, suivant la capacité du condensateur. Résistance interne de la self : 100 à 300 ohms.
C : de quelques µF jusqu'à 50 µF 
R : une centaine d'ohms, puissance à déterminer en fonction de l'intensité du courant maximum.

Condensateur de filtrage

Il est fréquent de rencontrer dans les alimentations de puissance moyenne des condensateurs de filtrages rassemblés dans le même boitier. On trouve ainsi des 2x6 µF ou 2x50µF + 100µF. L'armature négative de chacun des condensateurs est relié à la masse du boîtier.
La tension de service du condensateur ne doit pas être inférieure à la tension maximum d'utilisation. Tenir compte de la tension crête de l'alimentation filtrée qui est égale à la tension efficace de sortie du transfo multipliée par 1,414.
Exemple : Un transfo délivre à vide 2x200 volts efficace. La tension crête est égale à 200x1,414= 282 volts. On choisira des condensateurs de filtrage dont la tension de service sera de 300 V ou plus.
Dans le cas de la réstauration d'appareil ancien il est fort probable que les condensateurs de filtrage soit détériorés. On pourra le vérifier en les mettant en charge à une tension raisonnable (10 ou 20 volts) et en les laissant au repos plusieurs heures. Un bon condensateur n'aura presque rien perdu de sa charge. Refaire l'essai à une tension plus élevée. Si possible mesurer la capacité à l'aide d'un capacimètre. Attention à bien décharger les condensateurs à l'aide d'une résistance. Voir le condensateur.

Self de filtrage

Il en existe de toutes les formes. Celle de la photo ci-jointe a une inductance de 10 H et une résistance au courant continu de 230 ohms. Elle est prévue pour une intensité maximum de 100mA en régime continu. A cette intensité la chute de tension qui apparaîtra à ses bornes sera de 0,1 A x 230 = 23 volts. Si la tension filtrée est de 250 V cette chute de tension sera acceptable mais il faudra prévoir un transfo débitant 23 volts de plus, soit au minimum 275 V en charge.
Voir Selfs BF de filtrage.


 

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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:54

NOTIONS D'OPTIQUE

POUR LES ASTRONOMES AMATEURS

La vitesse de propagation de la lumière

"La lumière en se répandant emploie du temps" 
Christiaan HUYGENS (1629 - 1695).

L'étude de la vitesse de propagation de la lumière est intimement liée à l'étude de sa nature. 

La lumière est nécessaire à la vue

A propos de la lumière, l'homme a depuis longtemps fait les constatations de base comme par exemple : "Il faut de la lumière pour voir". Cette remarque semble extraite des poésies commémoratives des exploits de Jacques LA PALICE, pourtant elle a des conséquences intéressantes. Elle nous aide à comprendre (entre autres choses) qu'un objet doit être éclairé pour être vu s'il n'est pas lumineux par lui-même. Car contrairement au sens du toucher qui n'a pas besoin d'un intermédiaire, la vue a besoin de la lumière.

La vue est le sens le plus riche en informations sur notre environnement. Sans la vue ou sans la lumière, nous sommes grandement handicapés, notre conscience du monde extérieur est altérée. La figure suivante nous démontre cet aspect avec humour. 
 
Figure 49 : Dans l'obscurité, notre connaissance de l'environnement est limitée.

L'avance progressive de la lumière

Depuis longtemps, une question a hanté l'esprit des physiciens: "A quelle vitesse se déplace ce rayonnement ?"

Pour certains, sa propagation devait être instantanée. Pour d'autres, ce signal présentait des analogies avec le son. Or ce dernier se déplace à une vitesse finie, c'est évident quand on regarde de loin le tir d'une arme à feu. On voit nettement le coup de feu avant de l'entendre. Cette analogie amenait à penser que la lumière se déplace progressivement elle aussi.

Ces deux idées se sont affrontées pendant longtemps. Des expérimentateurs ont même essayé de mesurer la célérité de la lumière. On cite parfois Galilée (Galileo Galilei 1564-1642) qui tentait en vain cette mesure pendant la nuit en échangeant des signaux lumineux avec un partenaire qui se trouvait de l'autre côté d'une vallée. La lumière va trop vite pour cette méthode.

En 1676 à l'observatoire de Paris, Olaüs RÖMER (1644-1710) étudiait le mouvement des satellites de la planète Jupiter. Il a constaté une avance ou un retard de quelques minutes de ces astres sur les prévisions. Une analyse approfondie lui montra une relation entre cette anomalie et la position relative de la Terre par rapport à Jupiter. Il déduisit alors que ces défauts de ponctualité sont dus à la vitesse de la lumière. Quand la Terre est au plus près de Jupiter, il voyait les satellites en avance sur les éphémérides car la distance parcourue par la lumière est plus petite. Inversement, il notait un retard quand les mouvements orbitaux éloignent les deux planètes.

Grâce à ses observations, Olaüs RÖMER a déterminé une estimation fort honorable de la vitesse de la lumière dans le vide. La valeur trouvée varie selon les auteurs qui la rapportent mais elle avait le bon ordre de grandeur.

En 1849, Hippolyte FIZEAU (1819-1896) a imaginé une méthode "terrestre" pour mesurer la vitesse de la lumière. Il utilisait une roue dentée qui occultait périodiquement un faisceau auquel il faisait parcourir une grande distance. Cette technique permit d'améliorer la connaissance de la vitesse de la lumière. Toutefois, la grande distance parcourue par le faisceau lumineux ne permettait pas d'analyser la propagation de la lumière dans un autre milieu que l'air.

Les théories de la lumière

Les anciens avaient compris que la lumière est rayonnée par certains corps et réfléchie par d'autres. Les idées se sont succédées pour expliquer la nature de ce rayonnement.

Au début du 19ième siècle, les physiciens étaient partagés en deux groupes qui défendaient des théories opposées. Il y avait ceux qui affirmaient que la lumière est une vibration ou une onde et ceux qui considéraient que le rayonnement lumineux est un flot de particules microscopiques émises par les corps incandescents.

Une étude théorique approfondie concluait que la vitesse de la lumière devait être plus grande (que dans le vide) lors le la propagation dans des corps transparents (réfringents) si elle était constituée de corpuscules. Par contre, on montrait qu'elle devait être plus lente dans ce cas si elle était de nature ondulatoire. La mesure de la célérité de la lumière dans un matériau transparent devait donc permettre de sélectionner la meilleure théorie.

La méthode de Léon FOUCAULT

Léon FOUCAULT (1819-1868) a été un physicien très talentueux auquel nous devons de nombreuses techniques qui ont fait avancer la science à grand pas. Notamment, j'aime bien rappeler que grâce à lui, la ville de Marseille peut s'enorgueillir de posséder le premier grand télescope à miroir en verre, il en était l'inventeur.

En 1850, Léon FOUCAULT a mis au point une méthode avec laquelle il a mesuré la vitesse de la lumière dans l'eau. Dans ce milieu, elle se propage moins vite que dans le vide. Les physiciens ont alors conclu à une nature ondulatoire de la lumière.

 
Figure 50 : La méthode de Léon FOUCAULT pour mesurer la vitesse de la lumière. Si le miroir tourne à 1000 tours/s, l=15m et d=10m alors le rayon revient à 12,5mm de la source quand la distance l est parcourue dans l'air.
Dans ce montage, un miroir plan tourne sur lui-même avec une grande vitesse. Son axe de rotation M est situé au centre de courbure d'un miroir sphérique. Un fin rayon de lumière est émis par la source S vers le miroir plan. Périodiquement, ce dernier réfléchit le rayon en direction du miroir sphérique. A ce moment, le rayon est renvoyé vers le petit miroir mais entre temps celui-ci a légèrement pivoté d'un angle α et il renvoie donc le rayon à côté de la source (il fait un angle 2α avec le rayon incident).

L'écartement entre la source S et l'image retournée par le montage est inversement proportionnel à la vitesse de la lumière. Cette méthode est élégante car elle est simple à mettre en oeuvre et elle se contente d'une faible distance de parcours de la lumière (quelques mètres). Elle peut donc être utilisée pour analyser le comportement de la lumière dans un milieu quelconque.

L'éther

A partir de l'expérience de FOUCAULT, la communauté scientifique était convaincue de la nature ondulatoire de la lumière. La lumière est donc une oscillation, une "vibration". Pour que les physiciens admettent cela, il fallait définir la nature du corps ou du milieu qui transporte cette vibration. Comme le son est une vibration de l'air, il fallait que la lumière soit une vibration d'un support qui restait à découvrir. Pour répondre à cela, on a conçu théoriquement un fluide qui envahit tout l'univers même le vide, on l'a nommé l'éther. Les physiciens considéraient donc que la lumière est une vibration de l'éther.

Cette attitude des physiciens était imposée par la mécanique. Cette discipline de la physique avait déjà eu de nombreux succès et elle semblait pouvoir expliquer tous les secrets de la matière et, pourquoi pas, de la lumière.

L'hypothèse de l'éther explique certains aspects du comportement de la lumière qui sont analogues aux propriétés du son. Elle permet notamment de comprendre pourquoi la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de sa source.

La vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse de la source

Un fait d'observation très banal en astronomie démontre de façon évidente que la vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse de sa source. Il s'agit du mouvement apparent des étoiles doubles. La figure suivante nous montre un exemple de couple d'étoiles en mouvement.
 
Figure 51 : Une étoile double
Le comportement des étoiles doubles (ou multiples) s'apparente aux mouvements des planètes autour du Soleil. Leur observation a permis de vérifier qu'elles obéissent aux mêmes lois que les planètes, elles sont soumises aux lois de KEPLER (Johannes KEPLER 1571-1630). Les scientifiques ont rapidement exhibé ce fait pour affirmer que la loi de la gravitation découverte par Newton est universelle car elle s'applique aussi sur les systèmes stellaires les plus éloignés.

La figure suivante montre la propagation de la lumière en deux points diamétralement opposés de l'orbite d'un couple d'étoiles. Dans le cas de cette figure la vitesse de la lumière ne dépend pas du rapprochement ou de l'éloignement de l'étoile observée.

 
Figure 52 :
Dans ce cas, l'observateur reçoit les rayons lumineux dans l'ordre chronologique suivant lequel ils ont été émis. Il observe donc un spectacle comparable à la figure 51.

Voyons ce qu'il se passerait si la vitesse de la lumière s'ajoutait à la vitesse de l'étoile.

 
Figure 53 : Si la vitesse de la lumière se composait avec celle de l'étoile... les interprétations des observations d'étoiles doubles seraient bien compliquées.
Comme le suggère cette animation, nous pourrions voir simultanément la plus petite étoile en deux points opposés de son orbite! En effet, dans le cas représenté, la vitesse de la lumière se composerait avec celle de l'étoile observée. Elle s'ajouterait à la vitesse de l'étoile. Quand l'astre s'éloigne la lumière nous parviendrait plus lentement. Par contre elle nous arriverait plus vite quand l'étoile se rapproche. Dans certains cas, la lumière de l'étoile qui se rapproche rattraperait celle qu'elle aurait émise en s'éloignant.

Ceci serait un cas particulier qui serait tout à fait vraisemblable. En tous cas, l'étude du mouvement des étoiles doubles serait fort compliquée car il faudrait une analyse mathématique sophistiquée des observations pour comprendre le comportement réel des étoiles doubles. Le respect des lois de KEPLER par les étoiles doubles n'aurait pas été aussi évident.

En conclusion, nous pouvons affirmer que la vitesse de propagation la lumière n'est pas influencée par le mouvement de l'étoile qui la rayonne.

Ainsi, n'importe quel astronome amateur méfiant peut vérifier que la vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse de la source qui l'a émise. Il lui suffit d'observer les étoiles doubles.

N'oublions pas notre constatation : 
La vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse de la source qui l'a émise.

Il se produit un phénomène semblable pour le son. La vitesse du son que nous percevons d'un objet en mouvement (une moto par exemple) ne dépend pas de la vitesse de cet objet. Elle dépend par contre de notre propre vitesse par rapport à l'air (ne pas confondre avec l'effet DOPPLER-FIZEAU). Par analogie, les physiciens ont pensé que la vitesse de propagation de la lumière doit être influencée par la vitesse avec laquelle nous nous déplaçons dans l'éther.

L'expérience de MICHELSON-MORLEY

Après la démonstration de Léon FOUCAULT en 1850, l'existence de l'éther était admise par la communauté scientifique. Même le physicien James Clerk MAXWELL (1831-1879), dont les travaux sur l'électromagnétisme font toujours référence, était persuadé de son existence. Cependant, aucune expérience n'avait pu le mettre en évidence.

Puisque la terre se déplace à 30 kilomètres par seconde dans son mouvement de révolution autour du Soleil, on a envisagé de démontrer l'existence de l'éther en analysant la vitesse de propagation de la lumière.

 
Figure 54 : La Terre dans son mouvement orbital.
Si la Terre se déplace dans l'éther et si la lumière se propage avec une vitesse constante dans l'éther, on doit constater une valeur différente de la vitesse de la lumière selon la direction dans laquelle on l'étudie. Une mesure faite dans le sens d'avancement de la Terre donnera une valeur plus petite que lorsqu'elle est effectuée dans la direction perpendiculaire.

La difficulté est que la Terre se déplace à 30 kilomètres par seconde sur son orbite (environ), c'est à dire 10 000 fois moins vite que la lumière. Il faut donc une méthode très sensible pour mettre en évidence la petite différence de vitesse de la lumière provoquée par le déplacement de notre planète.

Vers la fin du 19ième siècle, diverses expériences avaient montré que la vitesse de la lumière n'était pas autant influencée par le mouvement de la terre qu'on le prévoyait. Toutefois, leur manque de sensibilité ne permettait pas de conclure nettement. On a alors échafaudé des théories compliquées pour affirmer que l'éther est plus ou moins entraîné par la Terre dans son mouvement. Cela signifiait que la variation de la vitesse de la lumière devait être plus petite que prévue. Il fallait donc une méthode très sensible pour analyser ce "vent d'éther".

Il faut quand même noter que certaines observations contredisaient déjà l'idée de l'entraînement de l'éther. Ainsi, l'aberration de la lumière est connue depuis 1728 grâce à James BRADLEY (1693-1762). Elle provoque un léger déplacement de la position des étoiles en fonction de la composition des vitesses de la Terre et de la lumière. Un entraînement de l'éther est incompatible avec cette interprétation.

En 1886, Albert Abraham MICHELSON (1852-1931) et Edward Williams MORLEY (1838-1923) réalisèrent une expérience célèbre dans laquelle ils comparaient le temps mis par la lumière pour effectuer deux parcours perpendiculaires de même longueur. C'est l'interféromètre de MICHELSON qui a eu de très nombreuses applications depuis.
 
Figure 55 : Le faisceau lumineux issu de S est séparé en 2 rayons qui se retrouvent à nouveau après s'être propagés selon deux directions perpendiculaires. La partie du rayon lumineux qui revient vers S n'est pas représentée. Cette représentation est simplifiée.
Le faisceau lumineux qui est émis par la source S est partagé en deux rayons perpendiculaires par un miroir semi-réfléchissant. L'un d'eux est visualisé en bleu et l'autre en orange (ces couleurs sont utilisées pour la clarté de l'illustration. Notez bien qu'il n'y a aucune intervention des couleurs dans l'expérience). Chacun de ceux-ci va ensuite se réfléchir sur un miroir qui le renvoie vers le point où ils se sont séparés. A partir de là, ils vont suivre la même direction, ils vont interférer et ils vont être reçus par un oeil (ou un récepteur) figuré en bas de l'image. En conséquence, l'oeil (ou le récepteur) qui les reçoit percevra une intensité lumineuse qui dépend de la phase respective des deux signaux.

Ainsi ce dispositif permet de mettre en évidence un infime retard d'un faisceau sur l'autre. L'idée des expérimentateurs consistait à orienter un des faisceaux dans le sens de déplacement de la Terre autour du Soleil. Selon la théorie de l'éther il aurait pris un retard sensible sur l'autre rayon car ce dernier aurait suivi un parcours perpendiculaire au "vent d'éther" et sa vitesse n'aurait pas été influencée.

Avec la théorie de l'éther, le faisceau orienté dans la même direction que le mouvement de la Terre devrait être retardé dans son aller-retour. Le retard subit en se propageant dans le même sens que notre planète ne serait que partiellement compensé par l'avance obtenue avec le parcours dans l'autre sens.

La figure 56 représente autrement cette expérience dont la sensibilité devait permettre une mise en évidence du vent d'éther même si celui-ci est partiellement entraîné par la Terre dans son mouvement.

 
Figure 56 :
Malgré toutes les précautions prises et après avoir placé le dispositif dans différentes directions, MICHELSON et MORLEY n'ont jamais pu mettre en évidence le moindre retard d'un faisceau sur l'autre. La vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions. Ils avaient pourtant défini un système très sensible. C'est un des plus célèbres résultats négatifs de la physique.

Ce constat choquait les physiciens de l'époque car ils considéraient jusque là que les phénomènes optiques étaient des phénomènes mécaniques dans l'éther.

Au 20ième siècle, cette expérience a été renouvelée avec un plus grand luxe de précautions. Le résultat est toujours négatif.

La conclusion est inévitable même si elle va à l'encontre de l'intuition : 
La vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse du laboratoire dans lequel on la mesure.

Si nous associons ce résultat à la constatation que nous avons faite précédemment nous pouvons affirmer que :

La vitesse de la lumière est invariante.

Expérience dans une fusée :

Allons plus loin maintenant, installons nous dans une fusée et analysons le comportement de la lumière dans une expérience d'optique embarquée (Figure 57). Quand l'astronef a un mouvement rectiligne uniforme (moteurs arrêtés), notre expérimentateur chronomètre un rayon lumineux qui se propage du point S au point M dans le but de mesurer la vitesse de propagation de la lumière.
 
Figure 57 : Cet astronaute mesure la vitesse de la lumière. Le résultat est toujours le même, il ne dépend pas de la vitesse de la fusée.
Les faits expérimentaux précédents nous indiquent que la durée qu'il va mesurer sera toujours la même quelle que soit la vitesse de la fusée.

Observons maintenant cette expérience depuis l'extérieur (Figure 58).

 
Figure 58 : L'expérience vue depuis une planète.
Le phénomène est perçu différemment par notre observateur planétaire car pour lui les points de départ et d'arrivée se sont déplacés pendant l'expérience. C'est ce que montre la figure 59.
 
Figure 59 : C'est la même figure mais nous avons noté les points de départ et d'arrivée pour l'observateur extérieur.
Comparons la distance parcourue par la lumière selon chacun des observateurs en examinant la figure 12.
 
Figure 60 : Comparaison des longueurs de parcours mesurées par chacun des observateurs.
  •  
    Les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels inertiels

    Dans un repère inertiel, la vitesse de la lumière C, est toujours la même, qu'elle soit émise par un objet en mouvement ou au repos.

  • L'observateur vert, depuis sa planète, constate que la lumière a parcouru la distance B pendant l'expérience. Pourtant l'observateur rouge, dans sa fusée, a mesuré une longueur de parcours A qui est plus petite que B.

    Nous avons précédemment mis en évidence que la vitesse de la lumière est invariable. Donc si chacun des observateurs mesure une longueur de parcours différente, c'est que le temps ne s'écoule pas de façon absolument identique dans les deux cas ou alors que les longueurs sont modifiées par la vitesse relative des observateurs.

    Cette étude de la vitesse de propagation de la lumière nous amène ici à nous poser des questions auxquelles la théorie de la relativité restreinte a trouvé des réponses. Cette célèbre théorie initiée par Albert EINSTEIN (1879-1955) et toujours vérifiée par l'expérience, nous apprend que les longueurs sont contractées par la vitesse et que le temps ne s'écoule pas de la même façon pour les deux observateurs de la figure 60.

    La théorie de la relativité a détruit l'idée d'un espace absolu et aussi du temps absolu. Elle a redéfini la notion de simultanéité.

    La théorie de la relativité restreinte est basée sur deux postulats que EINSTEIN a définis en considérant les résultats expérimentaux que nous avons analysés plus haut : 

La vitesse de la lumière est une limite :

Un petit détail est à remarquer avant de nous quitter.

Considérez à nouveau l'expérience illustrée par les figures 58, 59 et 60 mais imaginez maintenant que la fusée se déplace avec une vitesse supérieure à celle de la lumière par rapport à la petite planète. C'est impossible sans remettre en cause les résultats expérimentaux qui nous ont conduit à admettre que la vitesse de la lumière est constante.

Nous pouvons ainsi comprendre que la vitesse de la lumière ne peut être dépassée ni même atteinte par des corps matériels.

 

Plus vite que la lumière ? :

Le physicien russe Pavel Cherenkov a obtenu un prix Nobel en 1958 pour avoir découvert et interprété l'effet qui porte son nom.

L'effet Cherenkov se produit lorsqu'une particule se déplace plus vite que la lumière dans un milieu. Sa vitesse n'est toutefois pas plus rapide que celle de la lumière dans le vide, ceci ne contredit donc pas notre précédent résultat. Prenons l'exemple de l'eau : dans ce corps la lumière se propage à la vitesse de 226000 km/s. Considérons une particule qui arrive dans ce liquide avec une vitesse de 280000km/s, celle-ci est inférieure à la célérité de la lumière dans le vide. Cette particule se déplace donc plus vite que la lumière dans l'eau, il apparaît alors un rayonnement Cherenkov.

 

L'effet Cherenkov est utilisé pour mettre en évidence les particules rapides.

C'est l'effet Cherenkov qui explique la lueur bleutée que l'on peut voir dans la piscine des réacteurs nucléaires. En effet, des particules sont émises avec de très grandes vitesses dans le cœur du réacteur nucléaire puis elles sont ralenties par l'eau environnante en émettant un rayonnement bleu.

Dans l'espace, les astronautes peuvent observer l'effet Cherenkov quand des particules rapides du rayonnement cosmique traversent les liquides physiologiques de leurs yeux. Ils perçoivent de temps en temps des éclairs bleus.

 


Je vous invite à lire "Léon Foucault" de William TOBIN édité par EDP Sciences. 

 

Serge BERTORELLO 
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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:45

Conditions de la réflexion ionosphérique d'une onde
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Voir aussi : l'ionosphère - Phénomènes d'optique et propagation des ondes - La fréquence critique - 

On parle communément de réflexion des ondes sur les couches ionisées de l'ionosphère mais il s'agit en réalité de multiples réfraction successives.
Une onde électromagnétique se propage en ligne droite, comme un rayon lumineux. En fait cette affirmation n'est vraie que dans un milieu homogène et isotrope, c'est à dire dans lequel la vitesse de propagation de cette onde est la même quelque soit la direction. La vitesse de propagation dépend de l'indice de réfraction correspondant à la fréquence de l'onde.
Pour une onde se propageant dans l'ionosphère, le phénomène est plus complexe que pour un rayon lumineux, ne serait-ce qu'à cause de l'influence du champ magnétique terrestre. On peut toutefois comprendre le phénomène de réflexion d'une onde radio en simplifiant. 

Indice de réfraction

L'indice de réfraction d'un milieu ionisé dépend à la fois de la fréquence f considérée et de la densité électronique N du milieu. Ce sont les électrons qui jouent un rôle prépondérant : grâce à leur faible masse et à leur charge électrique, ils sont mis en mouvement sous l'influence du champ électrique E de l'onde électromagnétique. L'énergie qu'ils recoivent de l'onde leur permet d'osciller et de rayonner à nouveau une onde de fréquence identique mais de phase différente, provoquant ainsi un changement de direction de l'onde incidente.
La formule qui permet de calculer n, l'indice de réfraction du milieu ionisé est :

avec : 
N : densité en électron/m3
f : fréquence en kHz
e et m : charge et masse de l'électron
Ce qui peut s'écrire un peu plus facilement : 

où f est en MHz et N en électron/m3

Exemple :
Variation de l'indice de réfraction pour la fréquence de 9MHz en fonction de l'altitude. On voit que la réflexion s'effectue à l'altitude de 320 km, lorsque l'indice de réfraction s'annule.



Réflexion d'une onde dans une couche ionisée

La déviation d'un rayon lumineux par réfraction se produit lorsque le rayon traverse deux milieux transparents dont les indices de réfraction sont différents (voir optique géométrique). Un phénomène semblable se produit pour une onde radio qui traverse l'ionosphère mais, comme l'indice de réfraction varie en continu, l'onde est déviée progressivement et son trajet ressemble à une courbe. Pour mieux comprendre le phénomène on peut imaginer une tranche d'ionosphère comportant un nombre de niveaux limités et d'indices de réfraction variant de 
n6 à n0, comme dans le tableau de la page sur la fréquence critique.
En passant du milieu 7 au milieu 6 avec un angle d'incidence 
i67 le rayon est dévié d'un angle q67. Le même phénomène se produit en passant du milieu 6 au milieu 5 et ainsi de suite.
L'indice de réfraction diminue au fur et à mesure que l'ionisation augmente.

 

 

 

 altitude (km)

 

 N (e/m3)

 

 n

 

 100

 

 3.1010

 

 0.99

 

 120

 

 6.1010

 

 0.96

 

 160

 

 1.1011

 

 0.94

 

 200

 

 3.1011

 

 0.83

 

 250

 

 6.1011

 

 0.63

 

 300

 

 9.1011

 

 0.31

 

 320

 

 1.1012

 

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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:35
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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:30

Ligne bifilaire et câble coaxial
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Voir aussi : La ligne bifilaire - le câble coaxial - les boîtes d'accord de F6BPO -

Le tableau ci-dessous donne quelques éléments comparatifs entre les lignes bifilaires (twin-lead, échelle à grenouille...) et câbles coaxiaux. La grande diversité, à la fois pour les coaxiaux et pour les lignes, est telle que la comparaison est difficile. Une mauvaise ligne subit plus de pertes qu'un bon câble coaxial.



Utilisation de la ligne bifilaire

- puissance transmise élevée et très faibles pertes dans le cas de l'échelle de grenouille
- possibilité de réalisation personnelle peu onéreuse.
- l'échelle de grenouille est encombrante et pose des problèmes dans le cas de pluie verglaçante.
- le twin-lead est moins encombrant mais est sensible au vent.
- alimentation d'antennes dont l'impédance au point d'alimentation est élevée : ZeppelinLévy et centerfedextended double-ZeppG5RVdipôle colinéaire,
- les très faibles pertes (fréquences <100MHz) permettent l'utilisation de la ligne en régime d'ondes stationnaires, donc avec un ROS élevé.
- il est souvent nécessaire d'intercaler une boîte de couplage au bas de la ligne
- réalisation d'une antenne trombone simple avec du twin lead : dipôle replié
- certains appareils émetteurs-récepteurs ont une entrée 300 ohms ou plus, il est préférable d'y raccorder une ligne d'impédance correspondante.
- La ligne bifilaire est symétrique et se raccorde de façon optimum aux antennes symétriques (dipôle...)
- On utilise parfois des lignes bifilaires de longueurs adaptées pour alimenter les différentes antennes THF composant un groupement.
La ligne bifilaire torsadée est un cas particulier aux applications très différentes.

Utilisation du câble coaxial

- lorsque le trajet de la ligne d'alimentation de l'antenne est compliqué et traverse des dalles, longe d'autres canalisations, câbles, pylône, mât ou masses métalliques.
- fréquences supérieures à 100 MHz : antennes VHF à SHF
- alimentation d'antennes dont l'impédance au point d'alimentation est proche de 50 ou 75 ohms : doublet demi-ondemulti-doubletdoublet raccourcidipôle symétrisé,dipôle en V inverséfusil à 3 coupspylône rayonnantantennes verticales en phaseground-planeHB9CV, loop onde entière, yagi, cubical-quad, delta-loop.
- les différentes sortes de câble coaxial exigent des connecteurs adaptés (BNC ou PL259, fiche N).
- la ligne coaxiale est asymétrique et se raccorde naturellement aux antennes verticales.

   Câbles coaxiaux  Lignes bifilaires
 Impédance Zc  50 à 95 ohms  200 à 800 ohms
 Coefficient de vélocité  0,66 à 0,90  0,80 à 0,97
 Pertes  moyennes  faibles
 Influence extérieure  faible à nulle moyenne
 Coût  moyen à élevé  faible
 Gamme de fréquence  < 5 GHz  < 200 MHz
   asymétrique  symétrique
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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:29

La ligne bifilaire
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Voir aussi : le câble coaxial - comparaison ligne bifilaire/câble coaxial - Calculs sur une ligne non coaxiale - L'échelle à grenouille - La ligne bifilaire torsadée - Mesures de l'impédance caractéristique d'une ligne

Généralités

Comme son nom l'indique, une ligne bifilaire est composée de deux fils parallèles. Les deux conducteurs sont maintenus à distance constante par des entretoises isolantes ou par une bande en polyéthylène ajourée ou non. L'impédance caractéristique des lignes bifilaires est de l'ordre de quelques centaines d'ohms. On les utilise surtout pour l'alimentation d'antennes à impédance élevée au point d'alimentation.
Contrairement au câble coaxial, la ligne bifilaire doit être maintenue à l'écart des masses métalliques et des bâtiments. Une mauvaise symétrisation de l'antenne peut provoquer un déséquilibre des courants dans les conducteurs de la ligne qui peut alors rayonner de façon inopportune.
La ligne bifilaire est moins coûteuse que le câble coaxial, elle peut être réalisée facilement avec des matériaux courants. 

Les pertes

Du fait que la masse de diélectrique entre les deux conducteurs est faible, la ligne bifilaire a des pertes nettement moins élevées que le câble coaxial, en outre le fil utilisé est généralement de diamètre plus élevé que l'âme d'un coaxial. La ligne bifilaire peut dont supporter des surtensions locales très élevées et des ventres d'intensité important ; c'est pourquoi elle est utilisée dans des cas où les ondes stationnaires sont très importantes comme dans l'antenne Lévy-centerfed ou la W8JK.
Toutefois il faut garder à l'esprit que la ligne parfaite n'existe pas :
- pertes par effet Joule renforcées par l'effet de peau.
- pertes dans les isolateurs en présence de surtensions importantes
- rayonnement parasite dû aux défauts géométriques de la ligne et à l'écartement des deux conducteurs
Mais ces défauts sont la plupart du temps négligeables.

Caractéristiques d'une ligne bifilaire

Une ligne bifilaire se définit par :
- impédance caractéristique Zc (ohms)
- coefficient de vélocité Vf 
- pertes à 10, 100 et 1000 MHz (en dB pour 100mètres)
- capacité par mètre
- puissance admissible ou tension de service maximale (en kV)
A cela s'ajoutent les caractéristiques et critères de choix suivants :
- dimensions
- nature du diélectrique, ajouré ou non.
- prix au mètre.

Le twin-lead

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26 août 2011 5 26 /08 /août /2011 17:24

Calculs sur une ligne coaxiale
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Voir aussi : Permittivité - le câble coaxial - caractéristiques des câbles coaxiaux - Calculs sur une ligne non coaxiale -

Impédance caractéristique d'une ligne cylindrique


Exemple : Un échantillon de RG 213 isolé au polyéthylène (permittivité 2,25) a une âme de diamètre 2,2 et un diélectrique dont le diamètre est de 7,5 mm. Quelle est l'impédance caractéristique du câble ?
Réponse : 49 ohms.

Impédance caractéristique d'une ligne coaxiale de section carrée


Exemple : Quel est le rapport D/d à respecter pour obtenir une impédance caractéristique d'environ 50 ohms avec une ligne carrée réalisée dans l'air (permittivité =1) ?
Réponse : un rapport de 2 permet d'obtenir une impédance de 47 ohms.

 L'impédance caractéristique d'un câble coaxial dépend du rapport de D, diamètre intérieur du conducteur extérieur, par d, diamètre extérieur de l'âme.
e est la permittivité du diélectrique.

La formule simplifiée (2) s'utilise lorsque le diélectrique est l'air.
Une telle ligne peut être plus facile à réaliser lors de la fabrication d'un ROS-mètre. Ici est le côté intérieur du conducteur extérieur et d le diamètre extérieur du tube intérieur.
e est la permittivité du diélectrique.

La formule simplifiée (4) s'utilise lorsque le diélectrique est l'air.
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