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La radioélectricité est le phénomène de transmission des variations du champs électriques à travers l'espace. Les ondes radioélectriques — « ondes radio » en abrégé — permettent la transmission d'information à distance, et sont la base de la radiotéléphonie.

Le prérequis pour la lecture de cette page est l'article Électricité.

Bref rappel

Certains matériaux contiennent des charges électriques qui peuvent se déplacer, ils sont dits conducteurs (par exemple les métaux ou l'eau salée ou acide). D'autres matériaux n'ont pas de charges libres, ce sont des isolants (par exemple le caoutchouc, le plastique, l'air, l'eau distillée). Les objets conducteurs sont caractérisés par une résistance électrique notée R.

Certains dispositifs (pile, batterie, accumulateur, dynamo, alternateur, prise du secteur) créent une force électromotrice, ou tension, notée U, qui peut mettre en marche les charges libres dans un conducteur.

Cela crée un courant électrique ; l'intensité du courant, notée I, qui, dans le cas de composants passifs (c'est-à-dire autre que des moteurs, accumulateurs en charge ou composants électroniques), est calculée par la loi d'Ohm :

I = U/R

souvent écrite

U = R·I.

Dans le cas d'un composant actif, le courant électrique fournit une puissance P qui permet à l'appareil de travailler, cette puissance est calculée par :

P = U·I

Seule une partie P_u sert réellement à l'appareil de cette puissance ne sert pas à l'appareil mais est dissipée en chaleur, par effet Joule ; si R est la résistance du circuit, la puissance perdue par effet Joule est

P_j = R·I²

et

P = P_u + P_j

L'énergie W consommée par l'appareil durant un temps t est donnée par :

W = P·t

Si l'on met une tension aux bornes d'un objet isolant, il n'y a pas de courant électrique, sauf si l'on dépasse une tension dite tension de claquage, auquel cas on observe une étincelle ou un arc électrique (et souvent l'endommagement de l'objet).

On peut faire une analogie entre le courant électrique et le courant d'eau : la tension est l'équivalent de la différence de pression entre amont et aval ou de la dénivellée, et l'intensité est l'équivalent du débit d'eau.

Variations du champ électrique

L'attraction ou la répulsion de charges se fait à travers l'air, et même à travers le vide. On peut donc se servir de cette action à distance pour faire une sorte de sémaphore. Ainsi, en faisant bouger des charges (les électrons) dans un câble ou une barre métallique (appelée « antenne d'émission »), on peut faire bouger à distance les charges d'un autre câble ou barre métallique (appelée « antenne de réception »).

En fait, le phénomène est un peu plus complexe que cela ; en effet, la force électrostatique s'atténue beaucoup avec la distance. Si l'on considère la force produite par une charge à une distance de 1 m, alors :

• la force est divisée par 4 à 2 m ;
• elle est divisée par 100 à 10 m ;
• elle est divisée par un million à 1 km.

Ce n'est donc pas la force en elle-même qui sert à transmettre l'information, mais la variation de la force électrostatique.

Prenons l'exemple d'une personne dans une piscine, qui pousse l'eau avec sa main. La force créée par sa main est limitée à l'extension du bras, à savoir environ 60 cm. Par contre, la vague créée va parcourir plusieurs dizaines de mètres avant de s'atténuer. Si le rayon d'action de la main est limité à 60 cm, la propagation de la variation du niveau de l'eau s'étend elle sur plusieurs dizaines de mètres.

Force électrostatique et champ électrique

lorsque l'on bouge une charge, cela modifie les forces électrostatiques ; cette variation progresse à une vitesse c

propagation d'une onde radio, semblable à une « hola » dans un stade

Mettons plusieurs charges positives en ligne ; elles sont attirées par une charge négative située elle aussi sur la ligne (on ne prend pas ici en compte la répulsion des charges positives entre elles). On fait monter la charge négative au dessus de la ligne : les charges positives sont maintenant attirées en partie vers le haut.

Mais on note que cette variation de direction n'est pas instantanée : elle progresse à une vitesse c, c'est-à-dire que pour une charge positive située à une distance de n mètres, la force changera de direcion n×c seconde après le mouvement de la charge positive. Dans le dessin ci-contre, les forces sont représentées par des flèches.

c est la vitesse de la lumière, qui vaut à peu près 300 000 km/s dans le vide ou dans l'air.

Supposons maintenant que l'on enlève les charges positives. Il n'y a plus de force qui s'exerce : puisque la force s'exerce entre deux charges, il en faut… au moins deux. En l'absence de charge, il n'y a donc qu'une force « potentielle », c'est-à-dire une force qui pourrait exister s'il y avait une charge. Cette force potentielle est appelée champ électrique.

Si on a un champ électrique E en un point et que l'on y met une charge q, alors la charge subit une force f valant :

f = q × E.

Donc si l'on bouge la charge négative comme ci-dessus, on va avoir une variation du champ électrique, qui va elle aussi se faire avec un retard.

Lorsque cette variation du champ électrique atteint enfin une charge, le potentiel se concrétise : la force se modifie en suivant la modification du champ électrique.

Si maintenant on fait osciller la charge négative de haut en bas, on va créer des « vagues » dans le champ électrique, semblables à une « hola » d'une foule de stade. Ces « vagues », que l'on appelle « onde », se propagent très loin, ce qui permet au « sémaphore » de transmettre les informations très loin (plusieurs milliers de kilomètres dans les cas des grandes ondes).

Réalisation concrète

Concrètement, l'émetteur radio est un appareil produisant un courant électrique alternatif, c'est-à-dire oscillant : les électrons du circuit, et notamment de l'antenne, font des aller-retour.

Le récepteur radio est lui aussi un circuit ; les ondes radio émises par l'émetteur (c'est-à-dire les variations du champ électriques produites par le mouvement des charges dans l'antenne émettrice) provoquent un courant oscillant similaire à celui de l'émetteur, avec un léger temps de retard. Le récepteur « décalque » donc le courant de l'émetteur.

Reste alors à trouver une convention permettant de « coder » de l'information dans un courant électrique.

L'air est un isolant, les antennes sont des conducteurs. En fait, le système antenne émettrice-air-antenne réceptrice est similaire à un condensateur électrique (composant électronique). On trouve fréquemment cette analogie entre la radioélectricité et le condensateur.

Onde porteuse

Principe général

Le codage de base de l'information est similaire à la transmission filaire : puisque la transmission d'information par fil (télégraphe, téléphone, transmission informatique) utilise un courant électrique, on peut utiliser le même courant mais en « remplaçant » le fil par le système antenne émettrice-air-antenne réceptrice.

Le problème est que l'air étant le même pour tout le monde, c'est comme si tout lemonde se partageait la même ligne téléphonique : on aurait une cacophonie inaudible.

La transmission radioélectrique fait donc appel à une notion d'onde porteuse.

Imaginons que l'on écrive des messages sur des tôles d'acier ondulées que l'on met sur un tapis roulant. On peut avoir différentes ondulations, des « vagues » plus ou moins espacées. Si deux personnes se mettent d'accord pour utiliser tel type de tôle ondulée, alors :

• l'émetteur choisit une tôle ayant la bonne ondulation, il écrit dessus et la met sur le tapis roulant ;
• les autres personnes voient défiler les tôles, et quand elles voient une tôle ayant la « bonne » ondulation, elle la lisent, mais ignorent les autres.

La distance séparant deux ondulations de la tôle est appelée longueur d'onde, et est notée λ (lettre grecque lambda).

Comme le tapis roulant défile à une vitesse constante c, pour une tôle ondulée donnée, le « lecteur » voit passer des ondes à intervalle régulier : cet intervalle T est appelé période et vaut :

T = λ / c

car la tôle met un temps T pour parcourir une distance λ à lavitesse c. En une seconde, le lecteur voit passer un nombre de crêtre égal à 1 / T ; on appelle ceci la fréquence, que l'on note ƒ ou ν (lettre grecque nu) :

ƒ = 1 / T = c / λ

Comme la fréquence et la longueur d'onde peuvent se calculer de manière non équivoque l'une de l'autre, on peut désigner l'onde porteuse demanière équivalente par sa fréquence ou par sa longueur d'onde. En général, on utilise la fréquencepour les ondes dites « courtes » et la longueur d'onde pourles ondes dites « longues ».

La transmission radio utilise un principe similaire : à la base d'une transmission, il y a une onde de longueur d'onde déterminée, et donc de fréquence déterminée, appelée onde porteuse. Cette onde porteuse est modifiée et ce sont ces modifications qui contiennent l'information. Le récepteur reçoit toutes les porteuses, mais filtre celle qui l'intéresse.

Pour simplifier l'utilisation des appareils, on utilise la notion de canal : un canal correspond à une fréquence déterminée d'onde porteuse.

Modulation de la porteuse

Modulation d'amplitude (AM)

Modulation de fréquence (FM)