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Détecteurs d'ondes et de particules

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Objectif

Objectifs : Pour détecter des ondes mécaniques ou électromagnétiques ou des particules, on utilise des dispositifs de détection. Quelles sont les sources d’ondes et de particules ? Comment un détecteur fonctionne-t-il ?

1. Sources d'ondes

Les ondes peuvent être produites par des sources très variées.

a. Sources d'ondes mécaniques

Une onde mécanique est le phénomène de propagation d’une perturbation, d’un ébranlement, d’une vibration ou d’une déformation dans un milieu matériel (solide, liquide ou gaz).
La propagation se fait de proche en proche à partir d’une source sans transport de matière, mais avec transport d’énergie.

Les sources d’ondes mécaniques sont nombreuses :
- La voix humaine, un instrument de musique, un haut-parleur (ondes sonores)
- Rupture de failles sur plusieurs kilomètres (rupture brutale des roches en profondeur) au foyer du séisme (ondes sismiques).
- Vent marin loin des côtes (houle (onde à la surface de l’eau)).
- Déformation du ressort à une des extrémités (onde le long d’un ressort)
- Lame vibrant à une fréquence f reliées à une corde (corde vibrante)

b. Sources d'ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique est la propagation d’un champ électromagnétique. Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide et dans la plupart des autres milieux. Une onde électromagnétique transporte de l’énergie.

Exemples d’ondes électromagnétiques : les ondes hertziennes, les rayons infrarouges, les ondes lumineuses (radiations visibles), les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

Les principales sources d’ondes électromagnétiques sont :

Les sources naturelles :

- Les étoiles et le Soleil (émission de lumière et d’ondes électromagnétiques variées)
- L’atmosphère (présence de charges électriques dans les nuages)
- Les courants magmatiques (champ magnétique terrestre)
- Les cellules vivantes (cœur, cerveau, etc…)

Les sources artificielles :

- Les antennes (antenne de téléphonie mobile, antenne radio, émetteur TV…) et les radars
- Les appareils électroménagers : four à micro-ondes, plaque à induction, …
- Les lignes à haute tension
- Les dispositifs médicaux (IRM, radiologie,..)

c. Sources de particules

Il existe plusieurs types de particules : les électrons, les protons et les neutrons sont des particules élémentaires, à la base de toute la matière.

D’autres « particules » peuvent être émises : les molécules, les ions, les noyaux d’atomes, des atomes …
Les photons sont des particules associées à la lumière (on parle de la dualité onde-corpuscule pour décrire la lumière).

Les électrons peuvent être émis par un canon à électron, filament soumis à une forte tension.

Les protons peuvent être émis par un laser pulsé de haute intensité focalisé sur une cible métallique. Le laser étant puissant, des protons sont arrachés à l’arrière de la cible.

Les neutrons peuvent être émis par fusion nucléaire (plasma focus ou machine à striction) mais aussi par les réacteurs nucléaires, sièges de réactions de fission nucléaire.

Au cours des réactions nucléaires, on peut aussi obtenir des noyaux d’hélium (désintégration alpha), des électrons ou des positons et des photons.

Les particules fines peuvent être produites par combustion. Les molécules, les ions peuvent aussi être produits par réaction chimique.

2. Détecteurs d'ondes

Etudions quelques dispositifs de détection d’ondes.

a. Détecteur d'onde mécanique

Le sismographe est un appareil de mesure qui permet de détecter les séismes et de les enregistrer.
Le sismomètre est un capteur qui enregistre les mouvements du sol. Il est constitué d’une masse fixée par un fil ou un ressort à un support et qui pivote dans un plan horizontal ou vertical.

Lorsque le sismographe est mis en mouvement, le ressort oscille, mais la masse, du fait de son inertie, reste immobile.
Un cylindre enregistreur se déplace sous un stylet placé sous la masse.
Un aimant permet d’amortir rapidement les oscillations après les premières oscillations.

Les microphones sont des détecteurs d’onde sonore.
Les capteurs piézoélectriques sont des détecteurs de pression ; ils permettent donc de détecter des ondes mécaniques.

b. Détecteur d'onde électromagnétique

Une antenne radioélectrique est un émetteur et un détecteur d’onde électromagnétique.
Une antenne convertit un signal électrique en un signal électromagnétique (émission) et inversement (réception).
L’antenne, de longueur petite devant la longueur d’onde λ du signal alternatif, est constituée d’un matériau conducteur de l’électricité.

L’onde électromagnétique induit une tension dans l’antenne, de même fréquence f que l’onde, dont la valeur dépend du champ et de sa direction. Cette tension induit des courants électriques alternatifs de même fréquence f dans l’antenne, qui peuvent être détectés lorsque l’antenne est reliée à un oscilloscope.

Une pellicule photographique est un détecteur de la lumière visible, qui noircit lorsqu’elle est éclairée.

Le compteur Geiger-Muller est un détecteur de rayonnements ionisants (particules alpha, bêta, gamma et rayons X).

Une cellule photoélectrique est un détecteur qui convertit la lumière en un signal électrique.

c. Détecteur de particules

Le détecteur de fumée est un détecteur de particules solides.
Une diode crée un faisceau lumineux. Lorsque des particules de fumée entrent dans la chambre, une partie de la lumière émise par la diode est diffusée vers une cellule photoélectrique qui transforme l’onde électromagnétique en signal électrique.
Le détecteur de fumée déclenche alors l’alarme.

Il existe des dispositifs pour détecter les poussières, les fibres, les gaz toxiques, le radon.

d. Rôle des détecteurs

Les détecteurs d’ondes ou de particules jouent un rôle très important dans la prévention des risques et de leur étude.
Par exemple, les sismographes permettent d’alerter les populations de l’éminence d’un séisme avec l’enregistrement de mouvements non détectables par l’homme.
Le détecteur de fumée permet d’alerter rapidement les habitants d’un incendie.
Les cellules photoélectriques ont de nombreuses utilités (détection de faisceaux lumineux pour commande d’ouverture de porte par exemple).

L'essentiel

Les sources et les détecteurs d’ondes et de particules sont nombreux et variés. Les ondes mécaniques sont produites par des sources qui déforment le milieu. Les ondes électromagnétiques sont produites par des sources naturelles ou artificielles. Les particules sont produites par des réactions nucléaires ou réactions chimiques. Les détecteurs apportent des informations sur la nature des particules ou rayonnements présents. Ils jouent un rôle important dans la prévention et la détection des risques.

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