Chapitre 7 – Transmettre l'information

Terminale Bac Pro ERA-MA | Groupement 3 | Physique – Signaux

Objectifs du chapitre :

Mettre en œuvre un système de transmission d'informations
Identifier les principaux types de systèmes de transmission
Comprendre que la transmission s'appuie sur une onde (sonore, lumineuse, électromagnétique)
Connaître le principe de la fibre optique (réflexion totale interne)

1. Introduction – Contexte métier

Contexte chantier
Sur un chantier de construction d'immeuble de bureaux : l'électricien câble les prises RJ45 pour le réseau informatique, tire les fibres optiques jusqu'au local technique, installe les bornes WiFi, branche les interphones vidéo et configure le système d'alarme incendie sans fil. Toutes ces installations reposent sur un même principe : transmettre une information d'un point à un autre via un signal physique.

Un signal est une grandeur physique qui varie dans le temps et qui transporte de l'information. Pour communiquer, il faut toujours :

Un émetteur qui produit le signal
Un canal de transmission (l'air, un câble, une fibre...)
Un récepteur qui capte et interprète le signal

Schéma général d'un système de transmission d'information

2. Types de transmission

Définition
Propagation libre (sans fil) : le signal se propage dans l'espace sans support matériel. On utilise des ondes électromagnétiques (radio, WiFi, Bluetooth, 4G/5G) ou des ondes lumineuses (infrarouge des télécommandes).

Définition
Propagation guidée (avec fil) : le signal est guidé dans un support physique. Exemples : câble électrique en cuivre, câble coaxial (antenne TV), fibre optique.

Type	Support	Vitesse	Débit max	Applications métier	Avantages / Inconvénients
Câble téléphonique (cuivre)	Fil cuivre	~2×10⁸ m/s	~6 Mbit/s	Téléphonie, ADSL	Peu coûteux / Débit faible, distance limitée
Câble coaxial	Conducteur + gaine	~2×10⁸ m/s	~100 Mbit/s	TV câblée, vidéosurveillance	Blindé contre parasites / Rigide, lourd
WiFi (802.11ac/ax)	Air (ondes radio)	3×10⁸ m/s	~600 Mbit/s	Réseau bureaux, domotique	Sans fil / Sensible aux interférences
Fibre optique	Verre/plastique	~2×10⁸ m/s	>10 Gbit/s	Réseau immeuble, FTTH	Très haut débit, insensible aux parasites / Fragile à la courbure
Bluetooth	Air (ondes radio)	3×10⁸ m/s	~2 Mbit/s	Domotique, capteurs sans fil	Faible consommation / Courte portée

3. Les ondes utilisées pour transmettre

Propriété
Onde sonore : vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, béton...). Elle ne se propage pas dans le vide. Vitesse dans l'air : v ≈ 340 m/s.

Propriété
Onde lumineuse : onde électromagnétique visible. Se propage dans le vide à c = 3 × 10⁸ m/s. Utilisée dans la fibre optique et les télécommandes infrarouges.

Propriété
Onde électromagnétique (radio, WiFi, 4G) : se propage dans le vide et dans l'air à la vitesse de la lumière c = 3 × 10⁸ m/s. Pas besoin de support matériel.

Attention
Les ondes sonores ne peuvent pas se propager dans le vide (elles ont besoin d'un milieu matériel pour faire vibrer les molécules). En revanche, les ondes électromagnétiques (lumière, WiFi, radio) se propagent très bien dans le vide.

\[ c = 3 \times 10^8 \text{ m/s} \quad \text{(vitesse de la lumière dans le vide)} \] Vitesse du son dans l'air : v ≈ 340 m/s — soit presque 1 million de fois plus lente que la lumière !

Méthode Identifier le type d'onde et déterminer sa vitesse de propagation

Identifier la nature de l'onde : s'agit-il d'un son (vibration mécanique) ou d'une onde électromagnétique (lumière, WiFi, radio, infrarouge) ?
Déterminer le milieu de propagation : l'onde se propage-t-elle dans l'air, dans le vide, dans un câble, dans une fibre ?
Appliquer la bonne vitesse :
- Onde sonore dans l'air → v ≈ 340 m/s
- Onde électromagnétique dans le vide ou l'air → c = 3 × 10⁸ m/s
- Lumière dans une fibre optique (verre) → v ≈ 2 × 10⁸ m/s
Vérifier la cohérence : si l'onde est sonore, elle ne peut pas se propager dans le vide. Si l'onde est électromagnétique, elle se propage dans le vide et dans l'air à la même vitesse.

Application

Un interphone vidéo envoie un signal WiFi depuis la porte d'entrée d'un showroom jusqu'à un écran en réception, à 15 m de distance. Calculer le temps de propagation du signal.
Données : c = 3 × 10⁸ m/s

4. Animation – Propagation d'une onde

Type : Onde sonore (340 m/s)

Simulation de la propagation d'une onde sinusoïdale. La vitesse est représentée proportionnellement.

5. La fibre optique – Réflexion totale interne

Définition
La fibre optique est un fil en verre ou en plastique très pur qui guide la lumière grâce au phénomène de réflexion totale interne. La lumière rebondit indéfiniment à l'intérieur du cœur de la fibre sans sortir.

Condition de réflexion totale
Pour que la lumière soit totalement réfléchie (sans sortir de la fibre), il faut :

L'indice du cœur > l'indice de la gaine (n_cœur > n_gaine)
L'angle d'incidence > angle critique θ_c

Méthode Vérifier si la réflexion totale a lieu dans une fibre optique

Relever les indices de réfraction : noter l'indice du cœur (n₁) et l'indice de la gaine (n₂).
Comparer les indices : vérifier que n₁ > n₂. Si ce n'est pas le cas, la réflexion totale est impossible et la fibre ne peut pas guider la lumière.
Calculer l'angle critique : θ_c = arcsin(n₂ / n₁). Par exemple, si n₁ = 1,48 et n₂ = 1,46 : θ_c = arcsin(1,46 / 1,48) ≈ 80,6°.
Conclure : tout rayon lumineux arrivant sur l'interface cœur/gaine avec un angle d'incidence supérieur à θ_c sera totalement réfléchi et restera piégé dans le cœur.

Application

Une fibre optique a un cœur d'indice n₁ = 1,50 et une gaine d'indice n₂ = 1,45. Vérifier que la réflexion totale interne est possible (n₁ > n₂), puis calculer l'angle critique θc.

Réflexion totale interne dans une fibre optique : le rayon lumineux "rebondit" entre cœur et gaine

Exemple concret
Fibre optique monomode (utilisée en FTTH – Fibre jusqu'au logement) :

Diamètre du cœur : ~9 µm (9 millionièmes de mètre !)
Indice cœur : n₁ ≈ 1,48 | Indice gaine : n₂ ≈ 1,46
Débit possible : > 100 Gbit/s sur des milliers de kilomètres
Atténuation faible : le signal s'affaiblit peu sur de longues distances

À retenir – Avantages de la fibre optique :

Très haut débit (dizaines de Gbit/s)
Insensible aux perturbations électromagnétiques (pas de parasites radio)
Faibles pertes sur de longues distances
Légère et fine (facile à tirer dans les gaines)
Sécurisée (difficile à intercepter)

Attention aux erreurs fréquentes

La fibre optique transporte de la lumière, pas de l'électricité. Elle ne conduit pas le courant.
Ne pas confondre fibre optique (guidée) et WiFi (propagation libre).
La lumière dans la fibre ne se propage pas exactement à c = 3×10⁸ m/s mais à environ 2×10⁸ m/s (ralentissement dû au verre).
La fibre est fragile à la courbure excessive : un rayon de courbure trop petit casse la réflexion totale et le signal est perdu.

6. Comparaison des débits – Graphique

Échelle logarithmique : chaque graduation représente une multiplication par 10. La fibre optique offre un débit ~100 fois supérieur au câble coaxial !

7. Applications concrètes aux métiers de l'agencement

Application Bâtiment / Electricité
Câblage réseau dans un immeuble de bureaux :
L'électricien tire les câbles RJ45 (cat. 6A) pour le réseau cuivre (1 Gbit/s par poste) et les fibres optiques pour le réseau vertical (backbone) entre les étages. Un switch Ethernet en local technique relie tout. Les normes NF EN 50173 imposent les distances max (90 m pour le cuivre).

Application Domotique / Sans fil
Maison connectée (domotique Zigbee / Z-Wave) :
Les volets roulants, éclairages, thermostats et alarmes communiquent sans fil via des ondes radio (868 MHz pour Z-Wave, 2,4 GHz pour Zigbee). L'électricien programme le système et place les répéteurs pour couvrir toute la surface. Ces ondes traversent les murs mais sont atténuées par le béton.

Application Alarme / Vidéosurveillance
Système d'alarme incendie :
Les détecteurs de fumée envoient leur signal via le câble de sécurité incendie (propagation guidée) ou via une radio-fréquence dédiée (propagation libre). Le tableau de signalisation centralise les informations. Norme SSI NF S 61-931.

Méthode de travail
Comment choisir entre filaire et sans fil sur un chantier ?

Si le bâtiment est neuf → préférer le filaire (plus fiable, haut débit, pas d'interférences)
Si rénovation sans gaine possible → sans fil (WiFi, radio)
Pour de longues distances ou très hauts débits → fibre optique
Vérifier les normes (NF EN 50173, NF C 15-100...)

Application

Un atelier de fabrication de meubles veut relier son logiciel de commande numérique (CNC) à son serveur situé à 80 m dans un autre bâtiment. Quel type de transmission recommandez-vous, et pourquoi ?

8. Mini exercices

Exercice 1. Une fibre optique utilise la lumière comme signal. Quelle est la vitesse approximative de la lumière dans le vide ?

Voir la réponse

La vitesse de la lumière dans le vide est c = 3 × 10⁸ m/s (soit 300 000 km/s). Dans la fibre en verre, la vitesse est légèrement inférieure (~2×10⁸ m/s).

Exercice 2. Quel phénomène physique permet de guider la lumière à l'intérieur d'une fibre optique sans qu'elle ne s'échappe ?

Voir la réponse

C'est la réflexion totale interne. Quand la lumière arrive sur l'interface cœur/gaine avec un angle supérieur à l'angle critique (et que n_cœur > n_gaine), elle est totalement réfléchie vers l'intérieur du cœur, sans jamais sortir.

Exercice 3. Citer deux avantages de la fibre optique par rapport au câble électrique en cuivre pour le câblage d'un immeuble de bureaux.

Voir la réponse

Avantage 1 : Débit beaucoup plus élevé (10 Gbit/s et plus contre 1 Gbit/s pour le cuivre cat. 6).
Avantage 2 : Insensible aux perturbations électromagnétiques (aucune interférence avec les câbles électriques voisins).
Autres réponses acceptées : distances plus longues, aucun risque d'électrocution, plus légère...

Exercice 4. Dans une maison connectée, la borne WiFi envoie des signaux pour contrôler les volets roulants. Quel type d'onde utilise le WiFi ? Ces ondes peuvent-elles se propager dans le vide ?

Voir la réponse

Le WiFi utilise des ondes électromagnétiques (dans la bande 2,4 GHz ou 5 GHz). Oui, les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière c = 3×10⁸ m/s (contrairement aux ondes sonores qui nécessitent un milieu matériel).

À retenir – Essentiel du chapitre 7 :

Tout système de transmission = Émetteur → Canal → Récepteur
Deux types de propagation : libre (sans fil : WiFi, radio) et guidée (avec fil : câble, fibre)
Trois types d'ondes : sonores (340 m/s, besoin d'un milieu), lumineuses et électromagnétiques (3×10⁸ m/s, propagation dans le vide)
Fibre optique = guidage de la lumière par réflexion totale interne (n_cœur > n_gaine)
Fibre optique : meilleur débit, insensible aux parasites, longues distances

Erreurs fréquentes

❌

Croire qu'une onde sonore peut se propager dans le vide
Une onde sonore est une vibration mécanique qui nécessite un milieu matériel (air, eau, solide). Dans le vide, il n'y a pas de son.
Conseil : retenir que les ondes électromagnétiques (lumière, WiFi) se propagent dans le vide, pas le son.

❌

Inverser les conditions de la fibre optique (n₁ et n₂)
La réflexion totale interne nécessite n_cœur > n_gaine. Si n_gaine > n_cœur, la lumière s'échappe — la fibre ne guide pas.
Conseil : penser que le cœur plus "dense" optiquement (indice plus élevé) piège la lumière.

❌

Confondre transmission guidée et libre
La transmission guidée utilise un support physique (câble, fibre). La transmission libre (WiFi, radio) ne nécessite pas de support mais est plus sensible aux interférences.
Conseil : "guidée" = câble ou fibre ; "libre" = onde dans l'air (WiFi, Bluetooth, radio).

❌

Confondre signal analogique et numérique
Un signal analogique varie de façon continue (valeur quelconque). Un signal numérique ne prend que des valeurs discrètes (0 ou 1 en binaire). Le numérique est plus résistant au bruit.
Conseil : le WiFi, la fibre optique et le Bluetooth transmettent des signaux numériques.

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