Les Ondes Hertziennes

Feddersen Bérend (1788 - 1860) démontre en 1858 expérimentalement que les étincelles éclatant entre les boules d’une bobine de RUHMKORFF pouvaient être oscillantes et qu’elles devaient donner naissance à des ondes électriques de grandes longueurs, dont la propagation, comme celle de la lumière devait se faire dans toutes les directions. Mais, n’ayant pas trouvé le moyen d’entretenir ces décharges, la portée de son observation fut à l’époque très réduite.

Michael Faraday (1791 - 1867). en 1821, après la découverte du phénomène de l’électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, construit deux appareils pour produire ce qu’il appela une rotation électromagnétique : le mouvement circulaire continu d’une force magnétique autour d’un fil.

En 1831, il commença une longue série d’expériences durant lesquelles il découvrit l’induction électromagnétique

Au cours de ses travaux sur le courant continu, Faraday a démontré que la charge se situe seulement à l’extérieur d’un conducteur chargé et que celle-ci n’a aucun effet sur ce qui peut être situé à l’intérieur. Ceci est l’effet de blindage qui est utilisé dans la cage de Faraday.

En 1833, il introduit les termes d’anode, de cathode, d’anion, de cation et d’ions.

HENRY Joseph (1797-1878), découvre l'auto-induction ou self induction. Il est sans aucun doute le premier à transmettre un signal électromagnétique sur une distance de 1 mille (1609m). En faisant pivoter un aimant pour faire sonner une clochette. Il prédit que la méthode permettra de communiquer à distance.

Antoine Philibert Masson (1806 - 1858), construit en 1842 avec Louis Bréguet (1804 - 1883).une bobine qui porte son nom. Il s’agissait d’un noyau de fer sur lequel était bobiné un circuit primaire court en gros fil de cuivre et par-dessus un circuit secondaire d’un grand nombre de spires en fil de cuivre fin.

La bobine inductrice est alimentée par une pile et constitue avec celle-ci le circuit inducteur que nous appellerons encore circuit primaire .Le courant dans la bobine inductrice (courant primaire) est établi, puis interrompu, périodiquement à l’aide d’un rhéotome. Il en résulte, dans la bobine induite, une tension capable de produire des étincelles.

HENRY Joseph (1797-1878), découvre l’auto-induction ou self induction. Il est sans aucun doute le premier à transmettre un signal électromagnétique sur une distance de 1 mille (1609m). En faisant pivoter un aimant pour faire sonner une clochette. Il prédit que la méthode permettra de communiquer à distance.

Henrich-Daniel Ruhmkorff (1803 - 1877) fut également un brillant autodidacte. Il débute comme apprenti chez plusieurs fabricants parisiens d’instruments de précision (notamment chez Chevalier).

Il met au point la bobine qui porte son nom en se basant sur les travaux des ses prédécesseurs et en fait un instrument scientifique performant qu’il commercialise.


Le principe de la bobine de Ruhmkorff est celui d’un transformateur élévateur de tension constitué d’un enroulement primaire ’’’P’’’ et d’un enroulement secondaire S. Le primaire est constitué de quelques dizaines de spires de fil de cuivre isolé d’un diamètre assez gros (de l’ordre du millimètre) tandis que le secondaire est constitué de plusieurs dizaines voire centaines de milliers de tours de fil très fin (quelques dixièmes de mm). Les deux enroulements sont bobinés autour d’un noyau magnétique N constitué de fils de fer doux réunis en faisceau. Le fait de diviser le noyau permet de limiter les pertes par courants de Foucault. Les spires de l’enroulement secondaire doivent être soigneusement isolés entre eux pour éviter le claquage de l’enroulement par surtension suivi de la destruction de l’isolation

Il finira par fonder sa propre entreprise, laquelle se spécialisera dans les appareils de physique (instruments électromagnétiques, galvanomètres, appareils d’induction,...). En 1851, il imagina de produire des courants induits dans une bobine spéciale à laquelle il donnera son nom.

James Clerk Maxwell (1831 - 1879) développe et met en vingt équations à vingt variables les précédents travaux sur l’électricité et le magnétisme réalisés par Michael Faraday et André-Marie Ampère . Plus tard il les réduit à quatre, qu’il présente, en 1864, à la Royal Society.

L’équation d’onde électromagnétique de Maxwell prévoit l’existence d’une onde associée aux oscillations des champs électrique et magnétique se déplaçant dans le vide à une vitesse que Maxwell calcule égale à 310.740.000 m/s.

Les résultats des recherches de Maxwell semblent montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l’espace suivant les lois de l’électromagnétisme.»

Cette prévision se révéla correcte et la relation entre lumière et électromagnétisme est considérée comme une des plus grandes découvertes du XIXe siècle dans le domaine de la physique.

Edouard Branly (1844 -1940) constate, que la conductibilité d’une poudre métallique est fortement augmentée sous l’influence du rayonnement électromagnétique d’une étincelle électrique, et qu’un faible choc ramène cette conductibilité à sa faible valeur initiale. Il met au point sur cette base un tube à limaille appelé radioconducteur, qui, muni d’une antenne fait alors dévier l’aiguille d’un galvanomètre, c’est-à-dire constitue récepteur à un à un oscillateur de Hertz.

Branly, en 1890, fait la démonstration. Les appareils, émetteur et récepteur sont disposés respectivement dans deux salles de l’Institut Catholique séparés par 30 mètres.

En 1891, il conçoit le principe de l’antenne émettrice, et en 1902, fait des expériences de télécommande.

Eugène Ducretet,(1844 − 1915) fonde, en 1864, un atelier de construction d'instruments de physique comme les premiers appareils à rayons X.

En 1887, Ernest Roger entra comme ingénieur dans la maison E. Ducretet à Paris, 75 rue Claude Bernard.

En 1898, les premiers appareils mis au point par Ernest Roger dans les ateliers Ducretet innovaient dans la mesure où pour la première fois, les propriétés du cohéreur de Branly permettaient de transmettre un message par les ondes. En effet, Ernest Roger et Eugène Ducretet avaient équipé un poste émetteur d'une self d'émission réglable, qui devait joindre un récepteur morse muni du cohéreur à limaille et d'une antenne.

Le principe fondamental était d'émettre une onde hertzienne à distance du cohéreur à limaille, dont elle provoquait la cohésion ; un courant électrique pouvait alors passer dans le cohéreur et faisait s'abaisser un oscillateur traçant, lequel pouvait alors tracer un trait sur une bande de papier qui défilait. Suivant le temps pendant lequel l'onde électromagnétique permettait la cohésion de la limaille, on obtenait donc sur la bande de papier soit un point, soit un trait : on pouvait donc écrire à distance un message en langage morse.

Le 5 novembre 1898, Eugène Ducretet avec Ernest Roger établissent la première liaison par radio, depuis la Tour Eiffel jusqu'au Panthéon (ce qui représente environ 4 km). C'était le départ de la télégraphie sans fil TSF en France. Des 4 km entre la Tour Eiffel et le Panthéon, on passa vite à 7 km entre le Sacré Coeur et l'Eglise Ste Anne (toujours en novembre 1898).

Voulant tester au mieux la nouvelle invention, les expériences du début de l'année 1899 accrurent les distances, par temps de pluie : du Sacré-Coeur à Montmartre jusqu'au Panthéon (4,400 km), puis du Sacré-Coeur à l'église Sainte-Anne rue de Tolbiac (6,640 km), où les messages échangés furent tout aussi brefs : «BONJOUR», «Roger, Roger». Mais si le message était simple, il avait au moins l'avantage d'être compris clairement, à la fois par réception phonique et réception automatique : l'invention semblait fiable et prometteuse.

Les expériences suivantes, effectuées après amélioration de l'appareil, eurent lieu le 21 avril 1899 sur une distance de 5,300 km : entre les ateliers eux-mêmes de la rue Claude Bernard équipé d'un mât de 30 mètres de haut, jusqu'à Villejuif, ou encore entre la rue Claude Bernard et le Panthéon.

Ducretet, en 1899, rencontre à Paris Popov. De leur collaboration va naître tout un matériel de "Télégraphie Hertzienne Sans Fil" de qualité. Les ateliers Ducretet équipent 23 bâtiments de la flotte Russe et les stations côtières.

Ces mêmes appareils Popov-Ducretet utiliseacute;s à partir de 1899 par le Lieutenant de Vaisseau Tissot, au large de Brest, permettent des liaisons de 42, puis 83 Kilomètres. Dès le 20 janvier 1900, des appareils Ducretet-Roger utiliseacute;s dans le golfe de Finlande permettaient le sauvetage de 27 pêcheurs en perdition, en permettant d'alerter un navire brise-glace. La TSF entrait par la bonne porte dans l'histoire de l'humaniteacute;... Ce sauvetage, application immeacute;diate et utile de la TSF, permit une publiciteacute; internationale très favorable pour les appareils Ducretet, leur ouvrant ainsi de nombreuses perspectives. Quant à Eugène Ducretet lui-même, le sauvetage lui apporta la Croix de Commandeur de l'ordre de Saint-Stanislas de Russie.

Karl Ferdinand Braun (1850 − 1918) développe, en 1897, un tube cathodique particulier dit tube de Braun.

La première version du tube cathodique (tube de Crookes) était une diode à cathode froide avec une couche de phosphore sur la face. Après avoir été utilisé pour l'investigation de phénomènes physiques, le tube cathodique va devenir un instrument de mesures des signaux variant rapidement dans le temps. L'oscillographe se substituera au miroir tournant pour ce type de mesures.

En 1897, Braun utilise pour la première fois un tube à rayons cathodiques pour étudier des phénomènes dynamiques, l'enregistrement de phénomènes électriques rapides. Les premiers tubes de Braun sont remplis de gaz à basse pression, typiquement autour du centième de millimètre de mercure Le canon à électrons est constitué d'une pastille circulaire qui joue le rôle de cathode et d'une électrode en anneau qui joue le rôle d' anode. La haute tension appliquée entre l'anode et la cathode est produite par une bobine d'induction. Dans le champ électrique produit entre la cathode et l'anode, quelques ions positifs déjà présents dans le gaz neutre sont accélérés vers la cathode, ce qui génère des électrons secondaires accélérés dans la direction opposée. Les électrons ionisent les molécules du gaz du vide résiduel et les ions positifs, parce qu'ils sont lourds, s'éloignent lentement du faisceau, et la charge d'espace positive ainsi produite tend à maintenir concentré le faisceau d'électrons tout au long de son parcours jusqu'à l'écran phosphorescent. Dans le tube de Braun, la déflexion des électrons, dans une direction pour le signal à mesurer et dans la direction perpendiculaire pour le signal de référence, est produite par des bobines magnétiques.

Ferdinand Braun découvre l’effet redresseur (détecteur) du contact galène-métal ; mais ce n’est qu’en 1906 qu’il l’utilisera comme détecteur.

Olivier Lodge (1851-1940), reprend, en 1894, les travaux de Hertz et Branly, et automatise le récepteur de Branly. Il lui associe un mécanisme qui donne au tube de limaille une petite secousse, laquelle détruit la conductibilité du tube acquise sous l’effet des ondes Hertziennes, et le remet en état de réceptivité. Lodge dit que la limaille a d’abord été cohérée et qu’il faut la décohérer. II donne au tube le nom de cohéreur.

En 1889, Lodge démontre clairement le phénomène de résonance en haute fréquence, par une expérience des bouteilles de Leyde (condensateurs) accordées. En juin ou septembre 1894 Lodge fait fonctionner sur environ 30m un appareil de télégraphie hertzienne dans un but pédagogique, sans penser à un autre usage.

Hertz Heinrich (1857 - 1894) vérifie expérimentalement la théorie de James Maxwell de 1884, selon laquelle la lumière n’est rien d’autre qu’une onde électromagnétique.

A l’aide d’un oscillateur composé d’un éclateur agissant entre deux sphères creuses en laiton il met en évidence l’existence d’autres ondes électromagnétiques, celles-là non visibles. Il démontra que ces nouvelles ondes, susceptibles elles aussi de se diffracter, de se réfracter et de se polariser, se propageaient à la même vitesse que la lumière. Le 13 novembre 1886, il effectua la première liaison par faisceau hertzien entre un émetteur et un récepteur

Ces résultats ouvraient la voie à la télégraphie sans fil et à la radiophonie. Pour cette raison, les ondes radio sont dites ondes hertziennes, et l’unité de mesure des fréquences est le (hertz).

Hertz découvre, en 1886, la photoélectricité : une plaque de métal étant soumise à une lumière émet des électrons, dont la quantité dépendra entre autre de l’intensité lumineuse

Popov Alexandre (1858-1905) construit, en 1895 un appareil destiné à enregistrer les perturbations électriques dans l’atmosphère, selon lui son appareil peut également recevoir des signaux émis par l’homme, pourvu que la source soit suffisamment puissante. Il fut le premier à mettre au point des appareils utilisables pour la transmission et la réception des signaux.

Le 24 mars 1896 il réussit la première transmission et réception d’ondes Hertziennes et enregistrement du message sur un appareil Mors entre divers bâtiments de l’université de Saint Petersbourg, avec des antennes émission et réception verticales pour améliorer la réception

En septembre de la même année, il établit des communications radio sur une dizaines de kilomètres, entre des navires au large et le port de Kronstadt. Popov invente aussi le marteau décohéreur

Marconi Guglielmo (1874-1937), est un "inventeur", qui, dans l’enthousiasme de la jeunesse, c’est fixé pour but d’affranchir la télégraphie de la contrainte des fils. A 20 ans, il s’installe dans le grenier de la maison familiale et entreprend ses transmissions à distance par ondes hertziennes.

1895 Expériences sur les ondes découvertes par Hertz sept ans auparavant. Il reproduit le matériel utilisé par Hertz en l’améliorant avec un cohéreur de Branly pour augmenter la sensibilité et l’antenne de Popov. Il réalise dans les Alpes suisses à Salvan Valais une liaison de 1,5 km durant l’été 1895

Faute d’être suivi par ses compatriotes, en 1896, il part pour l’Angleterre, poursuit ses expériences et dépose un brevet.

En Mai 1897 il établit la première communication en morse à plus de 13 km entre Lavernock (Pays de Galles) et Brean (Angleterre) par-dessus le Canal de Bristol.

En Juillet 1897, de retour en Italie, la marine royale italienne lui permet de réaliser des essais entre un émetteur fixe situé dans l’arsenal de San Bartolomeo à La Spezia (Italie) et un récepteur à bord du remorqueur San Martino. L’antenne utilisée a 34 m de long. Une portée de 18 km fut atteinte. Marconi crée la société Wireless Telegraphe and Signal Companyet, en 1898, ouvre la première usine au monde d’appareil radio à Chelmsford, Angleterre.

1898 Ouverture de la première usine du monde des radios à Chelmsford, Angleterre.

1899 Première liaison transmanche par radio. Le message transmis est un télégramme d’hommage à Édouard Branly, inventeur du cohéreur, sans lequel cette liaison n’aurait pas été possible.

En 1900, changement de nom de la société qui devient la Marconi Wireless Telegraph Company. Dépôt du brevet sur l’utilisation de circuits accordés permettant l’utilisation de plusieurs fréquences.

En 1901 Marconi réalise la liaison entre la Corse et le continent, puis la première liaison transatlantique entre Poldhu (Cornouailles) et Terre-Neuve au (Canada). Outre son caractère spectaculaire, cette expérience a permis de mettre en évidence les phénomènes de propagation à longue distance, par réflexion sur les couches ionisées de la haute atmosphère (couches de Kennelly-Heaviside)

La T.S.F. en 1900

L’EMETTEUR ou TRANSMETTEUR est composé d’un générateur de haute tension : une BOBINE D’INDUCTION dite de RUHMKORFF. Les étincelles électriques de couleur rose-violet jaillissent à répétition entre les deux boules de cuivre de l’ECLATEUR-OSCILLATEUR. On a donné le nom d’ONDES AMORTIES aux signaux engendrés par l’appareil décrit ci-dessus, par comparaison aux ONDES ENTRETENUES découvertes plus tard et qui sont utilisées de nos jours.

Le RECEPTEUR est composé principalement d’un TUBE A LIMAILLE dit aussi RADIOCONDUCTEUR ou COHEREUR. Une faible quantité de limaille de fer, de nickel, d’argent ou d’or est contenue dans un petit tube de verre sans pression notable entre deux pistons métalliques. En temps normal, l’appareil présente une forte résistance au passage du courant électrique, mais devient conducteur lorsqu’il est soumis à l’influence d’une onde électromagnétique. Cette propriété permet d’actionner, avec l’aide d’un RELAIS très sensible, l’un des inscripteurs MORSE bien connus dans l’administration des télégraphes depuis 1854. Un message en POINTS et en TRAITS est tracé à l’encre sur un long ruban de papier. Le dispositif appelé FRAPPEUR est composé d’une sonnerie électrique. En produisant de légers ébranlements sur le tube à limaille, il lui rend ses propriétés de forte résistance après chaque signal.

Le transmetteur et le récepteur sont reliés à la TERRE et pourvus chacun d’un fil métallique dressé en l’air, grâce à un mât ou un cerf-volant. Ce fil est bien connu sous le nom d ANTENNE.

Les ANTENNES qui ont la propriété de rayonner ou de capter les ondes, sont, dans ces appareils de la première génération, les seuls dispositifs d’ACCORD. La "longueur d’onde" est ainsi déterminée (plus ou moins parfaitement) par la longueur du fil.

SYNTONIE
La multiplication des stations de T.S.F de première génération et l’augmentation des puissances, ne tardèrent pas à poser des problèmes aux pionniers. Les interférences entre émetteurs rendaient fréquemment impossible une réception correcte des messages.

Dès 1901, MARCONI, à l’occasion de l’expérience de Calvi, puis DUCRETET, SLABI-ARCO et BRAUN mettent en oeuvre de nouveaux procédés pour ACCORDER de plus en plus précisément, SYNTONISER les stations d’émission et de réception sur des longueurs d’ondes choisies.

Le dispositif utilisé est appelé à l’origine JIGGER. Il sera plus connu par la suite sous le nom de CIRCUIT OSCILLANT.

Ces circuits sont composés d’enroulements de fil conducteur isolé ou BOBINES de SELF INDUCTION et de BOUTEILLES de LEYDE ou CONDENSATEURS. Le nombre, l’espacement et le diamètre des spires des bobines, la capacité des condensateurs, le type de branchement et le couplage de ces éléments judicieusement choisis et calculés, déterminent la fréquence des oscillations électriques.

Non seulement la nouvelle technique portait remède aux risques d’interférences, mais en plus elle offrait deux avantages précieux, diminution des troubles causés par les parasites atmosphériques et amplification notable de la transmission par une mise en résonance des stations d’émission et de réception.

Ainsi, progressivement, les divers appareils émettant ou recevant des ONDES HERTZIENNES furent-ils équipés de circuits d’accord montés en TESLA ou en OUDIN. Depuis cent ans, l’aspect, la taille, le nombre des éléments mis en oeuvre ont pu varier, mais les principes sont restés inchangés.

SOS : A l’aube du XXème siècle, la Télégraphie Sans Fil révéla son utilité à l’occasion de plusieurs catastrophes maritimes.

Au cours de l’hiver 1899-1900, le cuirassé Russe "AMIRAL D’APRAXINE" est retenu dans les glaces du golfe de Finlande par 20 degrés au dessous de zéro. Equipé récemment d’une station de Télégraphie Sans Fil POPOV-DUCRETET, il demande de l’aide et se trouve rapidement secouru. Peu de temps après, dans la même région, un bloc de glace se détache du continent entraînant au large 27 pécheurs. Un télégramme d’alarme sans fil est lancé. Il est capté (au vol) par le navire brise-glace ERMARCK qui intervient et sauve les 27 pêcheurs d’une mort certaine.

Le 1er Février 1904, la Compagnie MARCONI avait institué le signal d’appel général urgent CQD pour toutes les stations fixes ou mobiles équipées de son matériel. La Conférence Radiotélégraphique de BERLIN en 1906 aboutit à une convention signée par 27 états. Le signal SOS lancé sur la longueur d’Onde de 600 mètres remplacera désormais le CQD. La mise en vigueur est fixée au 1er juillet 1908.

Le 23 Janvier 1909, aux premières heures de la nuit, le brouillard est intense au large de la côte est des Etats-Unis. Le paquebot Italien FLORIDA se dirigeant vers New-York aborde le paquebot Anglais REPUBLIC venant en sens inverse. Par une brèche béante, l’eau envahit rapidement la salle des machines du REPUBLIC. Le télégraphiste John BINNS remet en état de fonctionnement le transmetteur à étincelles détérioré par la collision et envoie une série de "MARCONIGRAMMES". Le paquebot Allemand BALTIC capte les messages, vire de bord et recueille 1.700 personnes.

A la suite de cette catastrophe, l’opinion publique française prend véritablement conscience de l’efficacité de la nouvelle technique. Une campagne de presse à laquelle Edouard BRANLY donne son appui, demande l’installation obligatoire de la Télégraphie Sans Fil sur tous les grands paquebots.

Le sauvetage qui restera peut-être le plus marquant de tous les temps, a été opéré à la suite du naufrage du monumental et luxueux paquebot Anglais TITANIC.

Le 14 Avril 1912, au cours de son voyage inaugural, le TITANIC se rend de Southampton à New York avec 2.358 personnes à bord. Alors qu’il se trouve au large de Terre-Neuve, à 10 heures 25 du soir, il rencontre un iceberg contre lequel il se fracasse. Réputé insubmersible ... il coule en deux heures entraînant avec lui 1.490 personnes au fond de l’océan. L’opérateur du poste de Télégraphie Sans Fil, Jack PHILLIPS, pendant toute la durée de l’agonie du paquebot, lance des messages qui sont captés au cap Race et par dix navires. Hélas, le plus rapproché mettra sept heures pour rejoindre l’emplacement de la catastrophe. 868 personnes dérivant sur des canots, en majorité des femmes et des enfants, sont recueillies par le CARPATHIA arrivé sur les lieux à 5 heures du matin. Trois autres navires croisant sur place un peu plus tard ne peuvent recueillir aucun survivant.

L’émotion est considérable, le nombre très insuffisant de canots de sauvetage (1/3 de ce qui aurait été indispensable) fait ressortir les lacunes de la réglementation dans cette matière. Par contre, une fois de plus, l’efficacité de la Télégraphie Sans Fil est mise en évidence. Sans les appels de PHILLIPS et un secours relativement rapide, 868 personnes couraient les plus grands risques de succomber au froid.

A partir de 1914, à la suite de la conférence de LONDRES pour la sauvegarde des vies en mer, le SOS sera employé par toutes les marines du monde.