Procédés physiques de transmission 2/2 - Physique Chimie - Terminale S

Procédés physiques de transmission 2/2 - Physique Chimie - Terminale S

digiSchool Bac S vous propose un cours de Physique Chimie niveau Terminale S, rédigé par notre professeur, qui porte sur la seconde partie du chapitre "Procédés physiques de transmission". Cette leçon est issue du thème "Transmettre et stocker de l'information" du programme de Physique Chimie de Terminale S.
Consultez ici la première partie du chapitre "Procédés physiques de transmission"

Dans la seconde partie de ce chapitre, vous découvrirez les applications pratiques de la fibre optique. En premier lieu, vous aborderez rapidement l'histoire de la fibre optique, puis vous verrez la définition d'un guide d'onde, ainsi que l'ouverture numérique d'une fibre optique, et la notion de réflexion totale. Vous vous intéresserez ensuite à la relation entre fibre optique et transmission avec la transmission d'une onde sonore grâce à la fibre optique.

Téléchargez gratuitement ce cours de Physique Chimie niveau Terminale S sur les procédés physiques de transmission ci-dessous !

Procédés physiques de transmission 2/2 - Physique Chimie - Terminale S

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Application pratique de la fibre optique

LA FIBRE OPTIQUE

UN PEU D’HISTOIRE

La première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut faite à Paris au milieu du 19ème.

L'idée des physiciens français Jean-Daniel Colladon et Jacques Babinet était de courber la trajectoire de la lumière, en guidant la lumière dans un jet d'eau déversé d'un trou à la base d'un réservoir. Ils mirent alors en évidence le principe qui est à la base de la fibre optique.

  

Le développement des fibres optiques se fait dans la deuxième moitié du XXème siècle. La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, avec l’invention du fibroscope flexible par Van Heel et Hopkins qui permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre et fut utilisée en endoscopie, pour l’observation de l'intérieur du corps humain.

Le laser offrit en 1960 la possibilité de transmettre un signal sans pertes sur une grande distance. En 1966, Charles Kao démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. En 1980, une première liaison est établie entre les centres téléphoniques des Tuileries et Philippe Auguste avec un câble comprenant 70 fibres.

 

DEFINITION D’UN GUIDE D’ONDE

De nos jours, les communications se font sur de longues distances, soit pour envoyer de l’information, soit pour en recevoir. Nous le faisons par l’entremise du téléphone, mais aussi d’Internet, de la télévision, de la radio, etc.

La fibre optique est souvent utilisée pour la transmission d’information entre villes, entre pays et même entre continents. La fibre optique est un fil de verre long de plusieurs centaines de kilomètres et dont le diamètre s’apparente à celui d’un cheveu. L’information est transmise à travers la fibre par le biais de la lumière.

La fibre guide les ondes lumineuses qui transportent l’information de l’émetteur vers le récepteur : la fibre optique est un guide d’ondes.

 

OUVERTURE NUMERIQUE D’UNE FIBRE OPTIQUE

L'ouverture numérique d'une fibre optique caractérise le cône d'acceptance de la fibre : si un rayon lumineux tente de pénétrer la fibre en provenant de ce cône, alors le rayon sera guidé par réflexion totale interne ; dans le cas contraire, le rayon ne sera pas guidé.

En posant nc, ng, et θ respectivement les indices du coeur, de la gaine et l'angle d'incidence, alors l'ouverture numérique de la fibre s'exprime par la formule :

Calcul ouverture numérique de la fibre optique - Procédés physiques de transmission - Cours de Physique Chimie - Terminale S

 

NOTION DE REFLEXION TOTALE

Lors du passage d’un milieu donné d’indice n1 dans un milieu moins réfringent d’indice n2 (n2 < n1), le rayon réfracté n’existe pas toujours. Il existe un angle limite λ au-delà duquel le rayon de lumière ne change pas de milieu. Ce rayon est alors complètement réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale.

Cet angle est tel que

Calcul angle phénomène de réflexion totale - Procédés physiques de transmission - Cours de Physique Chimie - Terminale S

Le rayon réfléchi obéit aux lois de la réflexion : son angle d’incidence et son angle de réflexion sont identiques.

Démonstration :

Commençons par rappeler les lois de Snell-Descartes :

 

  • Première loi de Snell-Descartes : Le rayon incident, le rayon transmis, et la normale au dioptre appartiennent au même plan. On en déduit que le plan de réfraction et le plan de réflexion sont dans le plan d’incidence.
  • Deuxième loi de Snell-Descartes : La deuxième loi de Snell-Descartes donne les relations entre les différents angles :
  • pour la réflexion, l’angle d’incidence i et égal à l’angle de réflexion r :

 

i = r. Avec i : angle d’incidence (entre le rayon incident et la normale au dioptre) et r : angle de réflexion (entre le rayon réfléchi et la normale au dioptre).

 

  • pour la réfraction (ou encore transmission), la relation entre les angles est la suivante : n1´sin i1 = n2´sini2 avec i1 : angle d’incidence du milieu d’indice n1 et i2 : angle de réfraction dans le milieu d’indice n2.

 

 

  • Si n1 < n2 alors le rayon réfracté se rapproche de la normale en traversant le dioptre.
  • Si n2 < n1 alors le rayon réfracté s’écarte de la normale en traversant le dioptre. Quand l’angle de réfraction arrive à 90°, l’angle d’incidence atteint une limite. Au-delà de cet angle limite, noté θlim le faisceau réfracté disparaît car le faisceau incident est alors entièrement réfléchi. On parle de réflexion totale.

 

Pour θlim, la relation de Snell-Descartes s’écrit : n1 sin θlim = n2 sin(90°)

 

LA FIBRE OPTIQUE ET LA TRANSMISSION

INTRODUCTION

De nos jours, les communications se font sur de longues distances, soit pour envoyer de l’information, soit pour en recevoir. Nous le faisons par l’entremise du téléphone, mais aussi d’Internet, de la télévision, de la radio, etc.

L’information transmise doit pouvoir voyager sur de grandes distances, elle doit pouvoir traverser des continents et des océans.

Mais par quels moyens peut être transmise une communication, par exemple téléphonique? Par satellite et ondes radio, par fils de cuivre (câble), par fibre optique, etc... La fibre optique est souvent utilisée pour la transmission d’information entre villes et entre continents. La fibre optique est un fil de verre long de plusieurs centaines de km et dont le diamètre s’apparente à celui d’un cheveu. L’information est transmise à travers la fibre sous forme de lumière.

TRANSMISSION D’UNE ONDE SONORE

Transmission d'une onde sonore - Procédés physiques de transmission - Cours de Physique Chimie - Terminale S

Une transmission d’information est illustrée ci-dessus. Si je parle dans le microphone du combiné téléphonique, les ondes sonores que ma bouche émet font vibrer la membrane du microphone (étape 1).

Les vibrations mécaniques sont traduites en signaux électriques par le microphone (étape 2). Ces signaux sont acheminés dans des fils électriques jusqu’à la centrale téléphonique de notre quartier.

Ces signaux électriques sont ensuite traduits en langage binaire, le langage des ordinateurs. Cette façon de coder l’information consiste à représenter des valeurs numériques en une série composée de 1 et de 0 (étape 3). Dans notre cas, les valeurs numériques décrivent le déplacement de la membrane du microphone.

Les séries de 1 et de 0 sont ensuite converties en signal lumineux (étape 4), les 1 correspondant à des flashs de lumière et les 0 à une absence de lumière. Cette série de flashs est envoyée dans la fibre optique.

Chez la personne à qui je parle, la série de flashs est détectée à la sortie de la fibre optique (étape 5).

Elle est décodée en signal numérique, c’est-à-dire une série de 1 et de 0 (étape 6)

Puis en signal électrique analogique (étape 7).

Ce signal électrique contrôle la vibration mécanique du haut-parleur du combiné téléphonique de mon interlocuteur qui peut alors m’entendre (étape 8).

Quand on envoie un courriel, l’ordinateur envoie directement le message sous forme de signaux électriques dans le langage numérique de l’ordinateur en représentant les lettres par des séries de 1 et de 0.

Par exemple, le «A» est représenté par «01000001». L’ordinateur envoie l’information dans des fils électriques (généralement en cuivre) jusqu’au fournisseur d’accès Internet. Ensuite, les 1 et les 0 se propagent sous forme de lumière dans des fibres optiques. Le signal, composé des 1 et des 0, peut passer dans des câbles contenant des centaines de fibres optiques déposés dans le fond des océans ou enfouis sous quelques mètres de terre. Le courriel se rend ainsi sous forme lumineuse jusqu’au fournisseur d’accès Internet de notre correspondant puis est converti sous forme électrique jusqu’à son ordinateur.

Comment la fibre optique guide-t-elle la lumière? Par un principe de réflexion totale interne.

La fibre optique possède en effet un coeur de verre plus dense (contenant des impuretés) qui est entouré d’une gaine d’un verre très pure. Le faisceau de lumière envoyé dans la fibre optique voyage dans le coeur en étant réfléchi (par réflexion totale interne) àl’interface coeur-gaine, tel qu’illustré dans le schéma suivant

Faisceau lumineux dans la fibre optique - Procédés physiques de transmission - Cours de Physique Chimie - Terminale S

L’indice du milieu extérieur (appelé la gaine) est plus grand que celui du milieu intérieur (appelé le coeur). Le faisceau lumineux, arrivant avec un grand angle d’incidence dans le milieu de la fibre, est totalement réfléchi sur la surface de séparation des deux milieux. De réflexion en réflexion, la lumière se propage alors sans perte jusqu’à l’autre extrémité de la fibre en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre optique peut se faire avec très peu de pertes même lorsqu’elle est courbée.

Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :

  • le premier est la différence d’indice normalisé, qui donne une mesure du saut d’indice entre le coeur et la gaine : (nc-ng)/nc
  • le second est l’Ouverture Numérique de la fibre optique (N.A. pour Numerical Aperture en Anglais).

 

Concrètement, ce paramètre est le sinus de l’angle d’entrée maximal de la lumière dans la fibre optique pour que la lumière puisse être guidée sans perte. Cet angle est mesuré par rapport à l’axe de la fibre.

Fin de l'extrait

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