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Chapitre 1.5 de la deuxième partie

Champ électromagnétique

Article crée à partir des informations sur WIKIPEDIA www.wikipedia.fr

Définitions:

Le graphique suivant montre l'étendue du spectre électromagnétique:

 

image Wikipédia

Notion de Champ en physique:

La notion de champ permet de décrire des interactions, carte de température, de pression de vitesse de vent en météorologie par exemple ou encore variation de la force de pesanteur etc.

Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ est utilisé comme artifice de calcul pour exprimé la notion de force à distance. Le caractère fini de la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques fait du champ une notion indispensable à la description des phénomènes électromagnétiques.

Champ électromagnétique:

Ce champ représente l'ensemble des composantes de la force électromagnétique s'appliquant sur une particule se déplaçant dans un référentiel galiléen.

 

Orientation d'un solénoïde mobile en fonction du champ magnétique terrestre.

Une particule de charge q et de vitesse v subit une force qui s'exprime par:

 

où  est le champ électrique et  est le champ magnétique. Le champ électromagnétique est l'ensemble  . Le champ électromagnétique est la composition de deux champs vectoriels que l'on peut mesurer séparément mais néanmoins ils sont indissociables.

Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace:

L'onde radio émise par une antenne isotrope (c'est à dire rayonnant d'une façon uniforme dans toutes les directions) se propage à la vitesse de la lumière (c = 300 000km/s), un peu comme les cercles concentriques crées par la chute d'un caillou dans l'eau.

t0

+1 seconde

+1 seconde

+1 seconde

Au bout d'une seconde le cercle fera 600 000 km de diamètre. Dès que l'onde s'est suffisamment éloignée de la source (de l'ordre de la longueur d'onde) on peut la considérer comme l'association d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Ces deux champs sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation.

 

Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à 377 ohms. La connaissance de l'un entraîne la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit l'onde par l'amplitude de son champ électrique.

La polarisation de l'onde est la direction de son champ électrique.

Intensité et puissance:

L'intensité du champ peut être exprimée à l'aide de diverses unités:

- pour le champ électrique: le volt/mètre (V/m)

- pour le champ magnétique, l’ampère par mètre (A/m) ou le tesla (T) (1 A/m = 1,27 μT)

- pour le rayonnement, en densité surfacique de puissance (DSP en W/m2)

DSP= E x H = E2/377 = H2 x 377

- le vecteur de Poynting permet de représenter la densité surfacique d'énergie d'une onde

- la puissance globale contenue dans le champ peut aussi s'exprimer en watt (W)

Variation du champ électrique:

Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible.

Pour calculer le champ à une distance D donnée de l'antenne, il est important de définir si E désigne l'amplitude maximale du champ ou sa valeur efficace. Il faut aussi définir l'antenne, doublet électrique élémentaire, dipôle demi-onde, antenne isotrope....

Si P est la puissance (non modulée) appliquée à un doublet électrique élémentaire, la valeur maximum du champ électrique E rayonné en un point situé à une distance D de cette antenne est donnée par la relation:

E0 = √(k.P)/D

avec k = 90

E0 en V/m; P en W; D en m

Ainsi une puissance de 10 W appliquée à ce doublet produira un champ d'amplitude maximum de 1 mV/m à une distance de 30 km.

Si on considère un dipôle demie onde le coefficient k vaudra 98 et si on considère une antenne isotrope alors k sera  k = 60.

On utilise souvent en CEM, l'antenne isotrope. Les calculs de champ sont d'abord effectués avec une antenne isotrope puis corrigés en tenant compte du gain réel de l'antenne en dBiso. Si on considère une source isotrope rayonnant une puissance P, on dit que P est la PIRE et si on considère le champ efficace (champ max divisé par racine de 2 on a alors la relation:

Eeff = √(30P)/D

Une puissance non modulée de 10 W appliquée à une antenne isotrope produira un champ E efficace de 5,7 mV/m à une distance de 3 m.

Valeurs Limites d'exposition: JO du 5 mai 2002

Les restrictions de base concernent l'exposition à des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques qui sont fondés directement sur des effets avérés sur la santé.....

Les niveaux de référence sont fournis aux fins d'évaluation... pour déterminer si les restrictions de base risquent d'être dépassées.

Niveaux des champs:

GAMME

de fréquences

E

(V/m)

H

(A/m)

Densité

de puissance

en onde plane (w/m2)

 

 

 

 

1-10 MHz

87/f1/2

0,73/f

-

10-400 MHz

28

0,073

2

400-2 000 MHz

1,375 f1/2

0,0037 f1/2

f/200

 

 

 

 

Dans cette portion du tableau les fréquences sont exprimées en MHz.

A partir de ces données, on peut convenir d'un niveau de protection des personnes à l'exposition électromagnétique et d'un niveau de protection d'immunité des équipements.

- Le niveau limite d'exposition des personnes (par exemple 61 V/m pour la bande UMTS)

- le niveau limite d'immunité des équipements (en général 3 voire 10 V/m pour les équipements industriels ou électro-médicaux de maintien de la vie).

La distance de sécurité pour utiliser les appareils se déduit de la loi de propagation simple:

D = √(30P)/Eeff

D: distance en mètres

P: PIRE en Watts

Eeff: Niveau de champ électrique en V/m

Nous aurons ainsi pour un appareil d'immunité 1 V/m : D = 5,5 √P

Pour un appareil d'immunité 3 V/m : D = 1,83 √P