dossier INFRAROUGEx

DOSSIER TRAVAUX
PERSONNELS
ENCADRES
THEME : Avancées scientifiques et réalisations techniques
SUJET : L'infrarouge
PROBLEMATIQUE : Comment mettre en évidence l'infrarouge ?
ATRARI Hocine
BAYRAKTAR Suat
BELHAMITI Ibrahim
1SSI
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SOMMAIRE
L’infrarouge
I.DEFINITON
II.HISTORIQUE
1) Biographie sur Friedrich William Herschel
2) Expérience de Friedrich William Herschel
III.FONCTIONNEMENT
1) La transmission infrarouge basée sur les rayons de lumières
2) Les différentes façons de transmettre l'infrarouge
3) Exemples de transmission par infrarouge
4) Fonctionnement caméra IR
5) L’application physique
IV.UTILISATIONS
1) Dans la vie quotidienne et dans les différents domaines
V.VISIBILITE
1) La visibilité de l'infrarouge et le spectre électromagnétique
2) Illustration de l'expérience de Friedrich William Herschel et de Johann Ritter
3) Biographie de Johann Ritter et illustration de son expérience
VI.EXPERIENCE
1) Problématique
2) Montages
CONCLUSION
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I.DEFINITON
Infrarouge : Se dit du rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre
0.8 micromètre (lumière rouge) et 1 mm (ondes radioélectriques), utilisé pour le chauffage,
la photographie aérienne, en thérapeutique, dans les armements, etc. L'infrarouge est
donc une lumière au même titre que celle que l'on voit.
Le spectre électromagnétique dans son ensemble
Remarque
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, tous les rayonnements infrarouges n'ont pas une
origine thermique. En effet, l'ensemble du spectre infrarouge peut être divisé en plusieurs sous
catégories:
- l'infrarouge proche : infrarouge dont la longueur d'onde est inférieure à 3 micromètres. A
cette longueur d'onde, les verres restent transparents, et ces rayons sont identifiables grâce à
des récepteurs identiques ou similaires à ceux utilisés pour détecter la lumière visible (par
exemple des photodiodes). Ce type d'infrarouge est utilisé pour la transmission d'informations
par fibres optiques ou bien encore par les radiateurs destinés au chauffage ou au séchage.
- l'infrarouge moyen (ou thermique) : infrarouge dont la longueur d'onde est située entre 3
micromètres et 20 micromètres. C'est ce type de rayonnement qui a une origine thermique. En
effet, ce rayonnement a une source thermique, et plus la température d'un corps est élevée, plus
le rayonnement infrarouge ainsi émis est intense. Les matériaux optiques utilisables pour la
détection de cette partie d'infrarouges sont le germanium, ou bien encore le séléniure de zinc.
- l'infrarouge lointain : infrarouge dont la longueur d'onde est supérieure à 20 micromètres.
Ce type de rayonnement est difficilement détectable et nécessite des capteurs très sensibles
descendus à température très basse (grâce par exemple à l'hélium liquide). Ce type de
rayonnement est utilisé notamment pour la spectroscopie moléculaire ou les expériences
spatiales.
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II - HISTORIQUE
1) Biographie sur Friedrich William Herschel
Friedrich William Herschel est né en 1738 à Hanovre en Allemagne ; il fut naturalisé anglais en
1793 et pris le nom de William Herschel. Il quitta son pays à l’âge de 18 ans pour rejoindre
l'Angleterre où il enseigna la musique dans la ville de Bath. Il était joueur compositeur de
hautbois et vivait exclusivement de sa musique.
2) Expérience de Friedrich William Herschel
Un jour, Herschel a voulu savoir si toutes les couleurs qui forment la lumière solaire apportent la
même quantité de chaleur. Il a donc l’idée, en déviant vers l’intérieur d’une pièce la lumière du
Soleil avec un petit miroir et en l’envoyant à travers un prisme, de poser un thermomètre devant
chaque couleur de l’arc en ciel ainsi formé. Il pose d’abord son thermomètre sur le bleu, note la
température, et répète la procédure ainsi de suite jusqu'au rouge.
Après avoir constaté que la température augmente régulièrement du bleu au rouge, il veut avoir
un point de référence en mesurant la température ambiante de la pièce. Pour le faire, il se
contente de pousser son thermomètre un cran après le rouge, là où il n’y a normalement plus
rien puisqu’il n’y a plus de couleur. Quelle n'est pas sa surprise de constater que cela chauffe
encore plus que dans le rouge ! Il vient de découvrir les infrarouges. Herschel a par la suite
montré qu’il s’agissait bien d’une “lumière invisible”, laquelle a exactement les mêmes
propriétés que la lumière visible, puisqu’on peut par exemple la focaliser.
William Herschel
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III – FONCTIONNEMENT DE L'INFRAROUGE
1) La transmission infrarouge basée sur les rayons de lumières
La transmission infrarouge, c'est lorsqu'on utilise les rayons de lumières qui ont une longueur
d'ondes plus basse que celle du rouge.
Il y a différentes façons de transmettre des données par infrarouge (type de modulation),
comme par exemple utiliser un code morse, ou encore faire varier la longueur de l'onde, ou
mixer les deux, etc.
Une transmission infrarouge consiste à envoyer un code à l'aide d'une diode infrarouge.
La diode clignote et les durées allumée/éteinte correspondent à des 0 ou 1, ce code est de nature
binaire.
Le récepteur (qui peut être une télé, un appareil photo, un portable...) contient une photo diode
qui devient passante chaque fois qu'elle reçoit cette lumière infrarouge.
Un décodeur va transformer ces séries de 0 et 1 en codes correspondant à des actions (éteindre
la télé, monter le volume, ajouter la lettre "A" au message du portable...). Un code spécial est
parfois envoyé à la fin de la communication.
Le principe de l'infrarouge vient de l'émission d'une lumière, diffuse ou focalisée, dont la
longueur d'onde se situe dans la plage des infrarouges (870-950 nm). Bien sûr, cette émission
subit les mêmes règles physiques que toute lumière, diffraction, réfraction, absorption et
réflexion.
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2) Les différentes façons de transmettre l'infrarouge
Le codage des bits peut s'effectuer de deux manières différentes :
- en mode synchrone : Dans ce cas, c'est la présence d'une émission lumineuse pendant
un certain temps, code la valeur 1. A l'inverse, l'absence de lumière pendant cette même
durée code un 0.
- en mode asynchrone : Dans ce cas, la durée de pause entre deux impulsions
lumineuses assure le codage des bits (20 ms = 0 ; 36 ms = 1).
Un seul standard est défini, qui opère sur la bande de 850 à 950 nm avec une puissance
maximale de 2 W. Le débit maximal défini pour l'infrarouge est de 1 Mbps.
3) Exemples de transmission par infrarouge
Cette technique de transmission de données, a pour caractéristique principale le fait que
l'émetteur et le récepteur soit à vue l'un de l'autre. De plus, du fait de la dispersion de la
lumière, c'est une technique très gourmande en énergie, ce qui limite bien sûr la portée
d'équipements qui doivent rester portables. Ainsi, la portée est directement proportionnelle à
l'énergie consommée.
Chaque diode infrarouge a un certain angle d'ouverture au sein duquel elle émet. Pour obtenir
des systèmes omnidirectionnels il faut répéter, de façon circonférentielle, les diodes d'émission
et les cellules de réception. Cet accroissement du nombre de diodes, portant dans la même
direction, permet d'augmenter la portée et la vitesse de transmission. Cette portée varie entre 20
mètres pour un terminal portable à plusieurs centaines de mètres en directionnel. Les systèmes
omnidirectionnels, alimentés par le secteur, ont une portée moyenne d'environ 50 mètres.
La notion de portée utile, est particulièrement sensible dans les réseaux infrarouges. Celle-ci
dépend de l'environnement lumineux (à 1000 Lux la portée est diminuée de 50% et par temps
de brouillard, elle est augmentée de 15%), de la structure des locaux et des terminaux utilisés.
Dans le cadre de ce type de transmission, il existe de nombreuses sources de perturbation :
lampes à éclats, tubes d'éclairage à décharge ou rayonnement solaire.
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Tous réseaux infrarouges comportent deux types d'éléments :
- les éléments statiques, qui sont chargés d'assurer le relais entre les autres éléments et le
concentrateur. Ceux-ci se trouvent souvent sur les murs ou au plafond.
- Les éléments mobiles que sont les terminaux portables, les chariots de manutentions, etc.
Un réseau infrarouge peut avoir deux types de connexion des éléments statiques avec le
concentrateur :
- Le réseau câble reliant les éléments statiques entre eux : Ce principe est adopté par la
plupart des fabricants, présentant l'avantage de pouvoir couvrir des zones de communications
discontinues.
- Le réseau à relais infrarouges libres : Ce principe est d'utiliser des relais infrarouge pour
capter l'émission d'un mobile et la transmettre aux relais avec lesquels il est en contact, jusqu'à
atteinte du destinataire.
Pour ce qui est des surfaces de couverture, il faut, pour les augmenter, répéter les
émetteurs/récepteurs en appliquant le même principe que pour l'éclairage, à savoir, qu'il ne doit
pas rester de zone d'ombre.
Enfin, les vitesses de transfert des réseaux infrarouges peuvent atteindre la valeur de 115
Kbps, bien sûr dans d'excellentes conditions.
L'un des principaux inconvénients de l'infrarouge est une obligation permanente d'avoir
l'émetteur et le récepteur en vue l'un de l'autre.
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4) Fonctionnement caméra IR
Une lentille spéciale fait converger les rayonnements infrarouges émis par les objets.
Le détecteur infrarouge créé un motif de température très détaillé appelé thermo gramme.
L’information nécessaire pour le créer est obtenue en un trentième de seconde. Cette information est obtenue à partir de quelques milliers de points dans le champ de vision du détecteur.
Le thermo gramme créé est traduit en impulsions électriques.
Ces impulsions sont envoyées vers une puce qui interprète le signal : elle transforme
l’information des impulsions en informations pour l’affichage.
L’information est envoyée vers un écran vidéo, où elle apparaît en couleur, selon l’intensité
du rayonnement.
Le fonctionnement de la caméra IR
A partir des signaux délivrés par le système de thermographie ou restitués par un enregistreur
magnétique, il est possible d'effectuer par voie analogique un certain nombre de traitements simples
dont le plus courant est l'étalonnage de l'image en températures. A chaque tension vidéo, donc à
chaque température de champ observé, le système fait correspondre un niveau de luminance d'un
moniteur de visualisation monochrome.
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Le signal peut aussi être découpé en tranches de niveau. La limite de chaque tranche représente une
énergie ou une température de corps noir. Les plages ainsi définies sont alors repérées soit par un
marqueur, qui, par exemple, met en surbrillance les zones de l'image correspondant à une tranche de
signal choisie, soit par présentation sur un moniteur couleur, chaque couleur étant affectée à une
tranche de signal donnée.
5) L’application physique
La loi de Wien :
Elle tient son nom de William Herschel (1864-1928), physicien allemand connu pour ses
travaux sur le rayonnement de la chaleur et qui reçût le prix Nobel de physique en 1911.
Elle permet de calculer la température d’un corps en fonction de la longueur d’onde où
le rayonnement du corps est le plus intense :
T : température du corps en Kelvin
λmax : longueur d’onde où le rayonnement du corps est le plus intense
b : constante de Wien - b = 2,897.10-3 m.K
La température en fonction de la longueur d'onde
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Exemples :
Le fer en fusion dont la température est de 2000°C, a son maximum d’émission à 1,27µm, loin
dans l’infrarouge, et émet donc peu dans le visible.
Un objet à température ambiante (environ 290°K) a son maximum d’émission à 10 microns,
alors que le Soleil dont la température apparente est de 600°K donne un maximum
d’émission pour 0,5 micron.
Grâce à cette loi, il est possible de déterminer la température d’un corps chaud en procédant à une
analyse spectrale. Cette analyse se fait en analysant la répartition de l’énergie dans les différentes
longueurs d’onde. Par le procédé inverse, on peut dresser une carte de la répartition de la température
dans l’espace : la thermographie
III -UTILISATIONS DE L'INFRAROUGE
1) Dans la vie quotidienne et dans les différents domaines
Chauffage
Les lampes à infrarouge sont utilisées dans des domaines de la production quotidienne. Les
secteurs de l'automobile, l'agroalimentaire, les textiles, la plasturgie, le formatage des matières,
les soins du corps, etc... sont concernés par des applications de chauffage de matières. Ces
techniques de chaleur particulières et innovatrices permettent un gain de productivité et une
économie du coût de production qui se caractérise en temps gagné et en énergie dépensée.
Vision nocturne
Les infrarouges sont utilisés dans les équipements de vision de nuit, quand la quantité de
lumière est tellement faible, qu'on ne peut même pas l'amplifier suffisamment, pour voir les
objets. Le rayonnement est détecté puis affiché sur un écran, les objets les plus chauds
devenant aussi les plus lumineux. Il faut également ajouter comme utilisation, en plus de la
vision de nuit, tout le domaine de la thermographie infrarouge permettant de voir et de mesurer
à distance et sans contact la température d'objets cibles. Dans certains cas un projecteur
d'infrarouge associé au système de vision, permet de visualiser des objets sans chaleur
intrinsèque, par réflexion.
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Guidage
Les infrarouges sont également utilisés dans le domaine militaire pour le guidage des missiles
air-air ou antiaériens: un détecteur infrarouge guide alors le missile vers la source de chaleur
que constitue le (ou les) réacteur(s) de l'avion cible. De tels missiles peuvent être évités par des
manœuvres spéciales (alignement avec le Soleil) ou par l'utilisation de leurres thermiques. Il
existe également des détecteurs d'émetteurs de ce type de fréquences infrarouge que l'on pose
directement sur la carlingue.
Détecteurs d'intrusion
Certains détecteurs de mouvements (associés aux systèmes de détection d'intrusion) appelés IRP (pour
Infra Rouge Passif), utilisent le rayonnement en infrarouge émis par l'ensemble des objets du local
surveillé (y compris les murs). La pénétration d'un individu provoque une modification du
rayonnement. Lorsque cette modification est constatée sur plusieurs faisceaux (découpage du
rayonnement total de la pièce par une lentille de Fresnel), un contact électrique envoie une information
d'alarme à la centrale.
Communication
Une utilisation plus commune est leur usage dans les commandes à distance (télécommandes), où ils
sont préférés aux ondes radio, car ils n'interfèrent pas avec les autres signaux électromagnétiques
comme les signaux de télévision. Dans ce domaine, il existe plusieurs codages des informations (RC5
pour Philips, SIRCS pour Sony, etc.). Les infrarouges sont aussi utilisés pour la communication à
courte distance entre les ordinateurs et leurs périphériques. Les appareils utilisant ce type de
communication sont généralement conformes aux standards publiés par l'Infrared Data Association
(IrDA). La lumière utilisée dans les fibres optiques est généralement de l'infrarouge. Pour cette
application, on exploite les longueurs d'onde où l'absorption propre du matériau constituant la fibre est
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minimale : 1,3 µm et 1,55 µm. Ils sont très utilisés dans le domaine de la robotique ou dans les
appareils nécessitant des transmissions de données à courte distance sans obstacle.
La monnaie
L'infrarouge est même utilisé dans la monnaie : billet de 10 euros à l'infrarouge (à gauche).
Aujourd'hui, les rayons infrarouges sont aussi utilisés pour le contrôle d'authenticité de billets de
banque. De cette manière, ils se prêtent particulièrement pour la détection de faux billets
IV -VISIBILITE DE L'INFRAROUGE
1) La visibilité de l'infrarouge et le spectre électromagnétique
L'infrarouge est l'énergie électromagnétique. Il fait partie du spectre électromagnétique qui est
composé d'ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X et rayons
gamma. Dans le spectre électromagnétique, l'infrarouge se situe entre micro-ondes et ondes de lumière
visible. Ses longueurs d'onde sont plus courtes que les micro-ondes, mais plus longues que celles de la
lumière visible.
Nous avons réalisés la même expérience que William Herschel, voici les photos :
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2) Illustration de l'expérience de Friedrich William Herschel et de Johann Ritter
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3) Biographie de Johann Ritter et illustration de son expérience
Johann Wilhelm Ritter est né en 1776 dans Samitz, la Silésie, qui fait maintenant partie de la
Pologne. Il a travaillé en tant que pharmacien entre 1791 et 1795 et a ensuite fréquenté l'Université
d'Iéna à étudier les sciences et la médecine. À l'Université, Ritter effectué de nombreuses expériences.
Johann Ritter est surtout connu pour sa découverte de la lumière ultraviolette en 1801. Un an plus tôt,
en 1800, William Herschel découvrit la lumière infrarouge . C'était la première fois qu'une forme de
lumière au-delà de la lumière visible a été détecté. Après avoir entendu parler de la découverte de
Herschel une forme invisible de la lumière au-delà de la partie rouge du spectre, Ritter a décidé de
mener des expériences afin de déterminer si la lumière invisible existe au-delà de l'extrémité violette
du spectre ainsi.
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En 1801, il expérimente avec du chlorure d'argent, un produit chimique qui est devenu noir lorsqu'il
est exposé à la lumière du soleil. Il avait entendu dire que l'exposition à la lumière bleue a provoqué
une grande réaction dans le chlorure d'argent que l'exposition à la lumière rouge. Ritter a décidé de
mesurer la vitesse à laquelle le chlorure d'argent ont réagi lorsqu'ils sont exposés aux différentes
couleurs de lumière. Pour ce faire, il a dirigé la lumière du soleil à travers un prisme de verre pour
créer un spectre. Il a ensuite placé le chlorure d'argent dans chaque couleur du spectre. Ritter a
remarqué que le chlorure d'argent a montré peu de changement dans la partie rouge du spectre, mais
de plus en plus sombre vers l'extrémité violette du spectre. Cela s'est avéré que l'exposition à la
lumière bleue ne cause chlorure d'argent à virer au noir bien plus efficace que l'exposition à la lumière
rouge.
Expérience :
Nous avons mis en place une expérience ayant plusieurs buts. Tout d'abord mettre en évidence le
fait que l'infrarouge est bien une lumière, puis que cette lumière a une origine thermique.
1) Problématique
Le rayonnement infrarouge est-il une lumière et quelles sont ses propriétés ?
2) Montages
3) Principe
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Un premier montage et constitué d'un LED IR branchée sur courant alternatif. Un deuxième est
constitué d'une photodiode sensible a toute la lumière. Si on obtient une demi sinusoïde, c' est que l'IR
est bien une lumière puisque la photodiode capte toute la lumière.
Une deuxième expérience montrant que l'IR est une lumière pourrait consister à mettre en évidence sa
réflexion au moyen d'un miroir. Les deux montages précédents sont cette fois-ci orientés dans le même
sens en face d'un miroir de manière à ce que les rayons soient réfléchis (si réflexion il y a) vers le
récepteur. Si il y a un signal, alors la loi de la réflexion est respectée et l'IR aura la même propriété que
la lumière visible.
Une troisième expérience consiste à n'utiliser que la partie du montage constituée de la photodiode.
Cette fois-ci en utilisant une photodiode spécifique aux IR. On approche une flamme du capteur ; si on
a un signal c'est qu'il y a émission d'infrarouge car le récepteur est spécifique aux IR. On place ensuite
un écran transparent mais thermo -isolant. La lumière visible est toujours là, mais la chaleur ne passe
plus jusqu'au récepteur. Si l'IR est lié à la chaleur, aucun signal ne sera alors enregistré, bien que de la
lumière visible passe, l'IR ne passe plus, alors que seul paramètre altéré est la chaleur. Cette
expérience expliquerait alors la possibilité de voir pendant la nuit en absence de lumière visible pour
l'homme.
4)Résultats
Expérience 1
Expérience 2
PS : ne disposant pas de la photodiode nécessaire au 3ème montage, nous ne pouvons exposer de
résultats.
5) Conclusion
L'infrarouge est bien une lumière, bien que nous ne puissions la percevoir, et, tout comme la lumière
visible respecte la loi de la réflexion. La présence de l’infrarouge peut être mis en évidence par
plusieurs méthodes comme nous l’avons vu tout au long du TPE.
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