A. Le fonctionnement
Dans le téléphone, il y a un microphone. Quand on parle, on fait vibrer de l’air, qui a son tour fait vibrer la membrane du microphone. Celle-ci est fixée à une bobine de fil conducteur, qui coulisse à l’intérieur d’un aimant. Le mouvement génère alors un courant électrique et comme la bobine s’agite au rythme de la voix, le courant électrique lui aussi va varier au rythme de la voix : c’est ce signal qu’il va falloir transmettre.
Au début du téléphone, le signal était directement transformé en ondes électromagnétiques. Mais l’on perdait trop de caractéristiques, la communication n’était alors pas très bonne. Aujourd’hui, le signal est découpé et un système permet de sélectionner des points à intervalle très régulier. Ces points sont caractérisés par leurs hauteurs. Ce sont des codes qui vont être transmit sous forme d’impulsion numérique, ceci afin de reconstitué point par point le signal électrique, correspondant à ma voix.
En développant le réseau téléphonique, ont multiplie le nombre d’abonnés : dans les années 50 (lors des débuts l’invention du téléphone), les opérateurs croulent sous les appels. On décide alors de les remplacer par communicateur électromécanique, ce sont des petits aiguillages qui permettent de connecter les abonnés entre eux, mais pour cela on invente alors le numéro de téléphone. Le numéro, sur les anciens appareils, il fallait un cadran qu’on tournait, puis relâché, il y avait une impulsion différente. Ainsi le central comptait les impulsions et ils prenaient alors connaissance de quel numéro il s’agissait. Sur les nouveaux appareils de notre époque, c’est différents : pour chaque chiffre il y a un son différent qui propose ainsi un signal électrique. Le numéro composé est alors envoyé vers le central où l’on est connecté. Ce central va alors analyser les quatre premiers chiffres, le numéro va être envoyé vers un autre central qui gère ces quatre premiers chiffres, et ainsi de suite…
(Une antenne de téléphone portable a Poitier.)
Comment ce signal est-il transporté ?
Lorsqu’on envoi un message, il va se déplacer sous forme d’onde électromagnétiques jusqu’à l’antenne de notre opérateur. Chaque antenne est installée dans une petite zone qu’on appelle « une cellule ». A partir de là, si le destinataire du message fait parti du même opérateur que l’expéditeur alors le message va continuer à se déplacer via des petits communicateur jusqu’à la cellule où se trouve le correspondant. Dans cette cellule, le message se retransforme en onde électromagnétique et voyage jusqu’au portable du destinateur. Mais s’il n’a pas le même opérateur alors le message est envoyé dans un central classique via des communicateurs, qui le renvoie jusqu’à la cellule de l’opérateur du destinateur et le message lui est envoyé.
(Dans ce schéma, l’émetteur est un téléphone portable et le destinataire un téléphone fixe. Le signal contenant la voix se déplace alors successivement par les ondes électromagnétiques et les réseaux câblés.)
B. Les études expérimentales
Expérience 1 :
On dispose de petites billes blanches de polystyrène et d’une enceinte d’un haut-parleur branché sur un générateur de fréquence. Cette simple expérience consiste à placer quelques billes sur le haut-parleur et à faire fonctionner ce dernier grâce au générateur.
Hypothèse : les enceintes des haut-parleurs vibrent lorsqu’ils émettent un son, donc les billes vont sautiller plus ou moins selon le son émis par l’enceinte.
Les résultats de cette expérience se trouvent dans les photos ci-dessous :
Photo 1: Les billes de polysténes sont sur l'enceinte qui n'émet pour l'instant aucun de son.
Photo 2: Les billes sautent dans tout les sens, certaines sautent au-dessus du haut-parleur: forte fréquence apporté par le générateur à l'enceinte.L’hypothèse de départ est donc juste : on a alors montré par cette première expérience que les enceintes qui composent un haut-parleur (il y a en moyenne deux a trois enceintes par haut-parleur) vibrent lorsqu’ils émettent un son.
Expérience 2 :
On dispose d’une bougie (allumée) et d’un haut parleur branché sur un générateur de fréquence.
Hypothèse : le son se propage grâce aux mouvements de l’air.
Dans la photo ci-contre, le haut-parleur n’émet encore aucun son : la flamme reste longue et fine.
On met alors en marche le générateur de fréquence : lorsque l’enceinte est en marche, la flamme épaissit, s’affaisse et tremble.
Ainsi, lorsque le haut-parleur émet un son, les enceintes du haut-parleur vibrent comme on l’a vu dans l’expérience 1 et font elles-mêmes vibrer les molécules de l’air situées au contact de l’enceinte autour d’une position moyenne de celui-ci. Celles-ci communiquent ces vibrations aux molécules voisines, qui en font vibrer d’autres à leur tour : l’onde sonore se propage ainsi grâce a vibration des molécules dans l’air. L’hypothèse de départ est donc cohérente avec les résultats de cette expérience.
Expérience 3 :
Pour cette autre expérience, on dispose d’un réveil, et d’une cloche reliée à une pompe à air (qu’on peut voir sur la photo ci-contre).
Hypothèse 1 : le son ne peut pas se propager sans l’air
Hypothèse 2 : les ondes électromagnétiques peuvent se propager sans air (La lumière est une onde électromagnétique !)
On met le réveil en marche sous la cloche, l’air n’est pas encore retiré : le sonomètre indique 76.2 décibels.
On met ensuite la pompe à air en marche : au cours du temps, on entend progressivement le bruit du réveil s’estomper. Au bout de 10 min, le son du réveil est difficile à entendre : le sonomètre indique cette fois-ci 61.8 décibels (photo ci-dessous).
On sait que lorsque le sonomètre indique + 3 décibels par rapport au résultat de base, le son est alors multiplié par 2, et que lorsqu’il indique – 3 décibels, le son est divisé par 2.
Le calcul est simple : 76.2-61.8 = 15 dB environ ; on a perdu 15 décibels donc le son est divisé environ par 10.
Les hypothèses sont donc vérifiées : le son ne peut donc pas se propager dans l’air, et puisque même sans air, la lumière traversait tout de même la cloche, les ondes électromagnétiques peuvent se propager sans air.
Expérience 4 :
Pour cette dernière expérience, on dispose d’un oscilloscope, de deux fils (un bleu et un rouge) et d’un générateur de fréquence.
Hypothèse : un fil électrique peut être utilisé comme une antenne réceptrice.
Photo 1 : Il n'y a pas de tension appliqué : l'axe des ordonné indique zéro volt. On utilise un fil (rouge) comme antenne.
Photo 2: Le signal est modifié lorsqu'on met "l'antenne" (échelle : sur 1volt/division et 20 microsecondes/division). On analyse ce signal en changeant la tension et le temps.
Photo 3: On a changé l'échelle du temps : 5milliseconde/division.
T= 4 divisions donc 20 millisecondes, on a alors pour la fréquence du secteur :
f= 1/T = 1/ (20x10-3) = 50 Hz
Le signal capté de fréquence 50 Hz est émis par les fils électrique qui transportent le courant du secteur.
Ainsi, le fil branché sur l'oscilloscope est une antenne réceptrice. Il transforme une onde électromagnétique en signal électrique. C'est sur ce principe que fonctionne l'antenne d'un téléphone portable.
Le GBF produit une tension sinusoïdale de fréquence réglé sur 5 kHz (photo).
Le GBF n'est plus relié à l’oscilloscope. Pourtant, il reçoit un signal électrique de f = 5kHz ! Le fil rouge est donc une antenne émettrice : elle transforme le signal électrique en onde électromagnétique de même fréquence.
Le fil bleu est une antenne réceptrice : elle transforme une onde électromagnétique en signal toujours de même fréquence.
On a essayé d'utiliser l'antenne réceptrice (fil bleu) pour capter l'onde électromagnétique produit par un téléphone portable, mais l'oscilloscope n'est pas sensible à la fréquence de l'onde porteuse du téléphone.
L’hypothèse est donc vérifiée : l’antenne à bien pu être utilisé comme une antenne réceptrice lorsqu’on l’a branché a l’oscilloscope.