Raconte-moi la radio
Les Détecteurs
Les ondes à Haute Fréquence émises par les émetteurs télégraphiques de première génération ou les émetteurs radiophoniques qui leur ont succédé ne sont pas audibles directement par l'oreille humaine.
Ces ondes contiennent en fait deux informations combinées, une information Haute fréquence (H.F.) inaudible et une information BasseFréquence (B.F.) audible après séparation de la composante HF.
A - Signal composite constitué d'un signal H.F. continu modulé avec un signal B.F. vocal
B - Signal après détection. La composante BF en pointillé peut être extraite pour actionner
un écouteur ou un Haut-Parleur
La séparation des signaux est effectuée à l'aide d'un dispositif appelé Détecteur.
Différentes techniques ont été utilisées dans le passé.
La galène
La galène est, sans doute, le plus connu des détecteurs. Elle a été utilisée sur les premiers postes bons marchés qui ont permis le déploiement rapide de la TSF.
La photo ci-contre montre un exemple de détecteur à galène utilisé dans les années 1925.
Le morceau de galène est enfermée dans un tube qui le protège de la poussière.
Le point de contact entre le cristal et la pointe de détection est accessible de l'extérieur.
Quelques essais permettent de visualiser le fonctionnement de ce détecteur.
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Faisons un petit montage simple pour visualiser la caractéristique tension/courant d'un échantillon de galène.
A l'aide d'un oscilloscope, on montre facilement que la galène se comporte comme une diode.
La galène (au centre) a une caractéristique intermédiaire entre une diode classique de redressement 1N4007 - seuil à 0.65v - (à gauche) et une diode schottky 1N5822 (à droite).
Cette autre image montre que si l'on applique à l'entrée d'un détecteur à galène une tension alternative (ici une tension de 50 Hz - Courbe A), le cristal bloque l'alternance négative et ne laisse passer que l'alternance positive (Courbe B).
Le schéma ci-dessus montre le montage retenu et l'emplacement des points de mesure.
Le signal d'amplitude environ 2,5v est élaboré à partir de la tension, abaissée par un transfo, du secteur à 50Hz. L'oscilloscope était réglé sur la sensibilité 1V/division pour les 2 signaux A et B. On observe que la galène a une résistance série non négligeable et qu'elle attenue un peu le signal d'entrée tout en le redressant.
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Quelques exemples de détecteurs à galène commercialisés dès les années 1925. A droite un Périkon (image les-puces-savantes.over-blog.com)
Le cohéreur
Le premier détecteur d'ondes électromagnétiques en date est, en toute vraisemblance, le RADIOCONDUCTEUR ou COHEREUR inventé par Edouard BRANLY.
Il est basé sur le principe des "contacts imparfaits" entre deux liaisons métalliques conductrices.
Schéma de principe du cohéreur
De la limaille métallique remplit partiellement l'espace entre deux plateaux conducteurs A et B
et crée un milieu instable qui devient conducteur lorsqu'il est soumis à un champ électromagnétique
Cohéreur de démonstration
Le tube est partiellement rempli de limaille de nickel
Les vis permettent de règler la sensibilité du détecteur en ajustant l'espace où s'arrangent les grains métalliques
Cohéreur amélioré de Marconi (Replica)
Le tube est partiellement rempli d'un mélange de limaille de nickel (95%) et d'argent (5%).
Un vide partiel est maintenu dans le tube pour éviter une oxydation des éléments métalliques internes
Les flancs des 2 pistons en laiton sont polis et présentent une pente de 15 degrés.
diamètre des pistons : 4 mm - longueur totale environ 70 mm
C'est avec un détecteur identique à celui présenté ci-dessus que Marconi réussi la première liaison transatlantique entre Poldhu en Angleterre et Terre-Neuve.
Détecteur à pointes métalliques
Trépied-DisquePrototype conçu par E. Branly
Photo Wikipedia
Edouard Branly expérimenta plusieurs dispositifs pour tester l'effet détecteur de contacts imparfaits entre métaux conducteurs.
Avec l'aide de Ducretet qui lui réalisa plusieurs montages, il réussirent à rendre opérationnel un détecteur à pointes métalliques qui, même s'il n'a pas eu une application industrielle majeure, a permis de faire avancer la connaissance et la compréhension des phénomènes physique à une époque où la TSF était encore naissante.
Ce détecteur se composait d'un tripode métallique avec 3 pointes extrêmement fines qui venaient appuyer légèrement sur une surface polie parfaitement plane. Les contacts entre les pointes et la surface assuraient la détection du signal électomagnétique.
L'image ci-contre montre un des montages d'essai testé par Edouard Branly dans son laboratoire.
Ducretet réalisa quelques récepteurs équipés de ce dispositif dans une version plus opérationnelle.
Le détecteur magnétique
La mise au point de ce détecteur magnétique sera annoncée au public par Marconi en 1902, par l'intermédiaire du « Proceeding of Royal Society ». La note correspondante fut communiquée à la Royal Society par le Professeur Fleming en personne .
Le premier MAGGIE, terme largement utilisé pour désigner cet appareil, a été installé pour la première fois en 1903 sur le bâtiment de guerre de la marine italienne Carlo Alberto .
Ce détecteur magnétique s'est avéré très fiable pour les communications en mer et il a été le principal détecteur installé sur les navires civils européens de 1903 à 1912, en remplacement du cohéreur de Branly beaucoup moins sensible.
En raison de cette fiabilité, les détecteurs magnétiques ont été utilisés comme détecteurs de secours sur de nombreux navires militaires pendant la Première Guerre mondiale en complément de détecteurs à galène et de détecteurs électrolytiques de type Ferrié.
Ce dispositif fonctionne de la façon suivante :
Un cable sans fin est constitué par plusieurs brins de fil de fer doux isolés à la soie. Ce cable passe dans les gorges de deux poulies entre lesquelles il est raisonnablement tendu.
Les poulies sont mises en rotation à vitesse constante par un système d'horlogerie qui communique aux brins droits du cable une translation de quelques centimètres par seconde (10 cm/s).
L'horlogerie donnait à l'appareil une autonomie de fonctionnement d'environ 2 heures. Au delà, il était nécessaire de remonter le ressort du moteur pour le faire refonctionner à la manière d'un phonographe.
Ce remontage conduisait à un arrêt de réception de la radio ce qui représentait bien sûr un inconvénient pour le radiotélégraphiste en poste.
On pensera à la tragédie du Titanic où on retrouvera le problème évoqué dans d'enquête sur le naufrage.
Un des brins du cable passe dans l'axe d'une bobine enroulée sur un tube de verre. Cette bobine (peu de tours de fil assez gros) est intercalée dans le circuit antenne-terre de réception.
Concentriquement à cette première bobine est montée une seconde bobine (plusieurs milliers de tours de fil très fin) qui est connectée dans le circuit d'un écouteur téléphonique.
Un couple d'aimants dont les pôles de même nom se touchent est disposé au dessus du cable et des bobines.
Exemple de réalisation d'un détecteur magnétique - Maggie
Maquette du film TITANIC
Voici ce que l'on observe avec un tel détecteur :
Si le cable est immobile, lorsqu'un train d'ondes arrive dans la bobine réceptrice, l'état magnétique du câble est modifié et l'écouteur téléphonique fait entendre un claquement. Mais si un autre train d'ondes se présente, on n'entend plus rien car l'état magnétique du fer du cable est à saturation et ne change plus.
Si le câble est en mouvement, son passage devant l'aimant va déterminer une certaine aimantation de base du fer et, si un signal se présente, cette aimantation va être modifiée et la conséquence de cette modification est un courant induit dans le circuit du téléphone avec le bruit correspondant. Il en sera ainsi pour chaque signal de haute fréquence.
Ce détecteur a été utilisé pendant de longues années dans les récepteurs de la Compagnie Marconi qui équipaient des navires.
Détecteur magnétique de démonstration
Réalisation Jean CUDAZ (F1HR 69)
Inspiré par le film Titanic, dans lequel James Cameron avait reconstitué, quasi à l'identique, la salle de Radio du célèbre paquebot, Jean a mis toute sa compétence technique et son adresse manuelle pour construire ce détecteur magnétique. Lors de l'exposition ONDE EXPO de 2009 à LYON, il a montré à de nombreux radioamateurs étonnés le parfait fonctionnement de ce dispositif complètement opérationnel.
Il suffit de tourner la manivelle pour mettre le fil de fer doux en mouvement et le détecteur rend immédiatement audible les stations de radios captées par l'antenne.
Nul besoin d'un moteur d'entraînement, une rotation lente de la poulie motrice que vous pourriez tourner d'un doigt, est suffisant pour rendre le dispositif actif.
Pas de pile, pas de microprocesseur, juste un peu de bois, du fer et un soupçon de cuivre pour réaliser deux minuscules bobinages.
Vous avez dit "économie d'énergie ???"
Replica d'un détecteur magnétique
modèle assez semblable à celui qui équipait la station de T.S.F. du Titanic
Voir image plus haut - Réalisation du webmaster
Au premier plan le cordon du casque d'écoute
Le cable qui tourne sur 2 poulies est un toron constitué de 70 brins de fil de fer guipé à la soie dont le diamètre unitaire est de quelques centième de millimètre.
L'orientation des aimants est primordiale pour le fonctionnement de l'appareil. Les pôles de même nom sont montés côte à côte au centre des bobines. Montés à l'envers le détecteur ne fonctionne pas.
Pour l'orientation des aimants pas de difficultés ; rappelez-vous de la règle simple du magnétisme : Les pôles de même nom se repoussent, les pôles de nom contraire s'attirent !!
Principe de fonctionnement
L'étonnement que peut avoir l'utilisateur du détecteur magnétique de Marconi devant son fonctionnement demande quelques explications.
Pour essayer de comprendre comment cet appareil simple arrive à détecter de façon aussi sensible et fiable des ondes électromagnétiques de puissance infime, il convient de faire un retour sur le magnétisme et les aimants.
Le détecteur magnétique de Marconi exploite en effet des phénomènes physiques étudiés vers 1895 par le scientifique anglais Ernest Rutherford et son assistante Miss Brooks (1).
Courbe de première aimantationEn rouge : Acier
En violet : Fer doux
Ces phénomènes avaient été mis en évidence aussi par Lord Rayleigh et d'autres brillants savants qui travaillaient à l'époque sur les courants oscillants.
A l'aide d'un magnétomètre qu'il avait mis au point et expérimenté, et permettait de mesurer l'intensité de champs magnétiques, Rutherford, avait été en mesure de constater plusieurs choses :
Si l'on aimante des matériaux ferromagnétiques, en les plaçant dans une bobine parcourue par un courant, le champ magnétique rémanent (appelé Br par les physiciens - aimantation qui reste quand quand on coupe le courant), dépend de la nature du matériau.
Tout le monde sait de nos jours, par exemple, que le fer pur ne garde pratiquement pas d'aimantation alors qu'un barreau d'acier reste fortement aimanté. C'est comme cela que l'on fabrique industriellement de nos jours des électro-aimants et des aimants permanents. Il existe même des matériaux à base de terres rares (alliages samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore) qui ne se désaimantent pas, mais en contrepartie demande une énergie énorme pour être aimantés.
Cycle d'hystérésisBr=champ rémanent
Hc=Excitation coercitive
Le phénomène d'hystérésis apparenté à un "retard à la désaimantation" est aussi un phénomène connu qui se traduit entre autre dans les machines électromagnétiques (moteurs, générateurs) par une perte de rendement par échauffement des circuits magnétiques en fonctionnement. La perte est même proportionnelle à la surface du cycle d'hystérésis (surface limitée à la ligne bleue sur le schéma ci-contre par exemple) qui sera, de facto, un critère de choix pour les matériaux propres à la construction de circuits magnétiques performants. On voit que le matériau en rouge qui a une surface plus grande que le matériau en bleu, sera moins bon de ce point de vue.
Rutherford constata aussi qu'il y avait 2 moyens d'enlever de l'aimantation à un matériau aimanté ; de le "désaimanter" comme on dit.
* On savait déjà à l'époque que la première était de le placer dans le champ magnétique d'un solénoïde et de faire circuler un courant continu dans le sens inverse de celui qui avait permis de l'aimanter.
* La deuxième, et là était la découverte, était de soumettre le matériau aimanté à des oscillations électriques de haute fréquence. Il constata même que l'effet dépendait de la fréquence de l'excitation et en déduisit que le phénomène devait reposer sur un "effet de peau" qui faisait que les fréquences les plus hautes ne désaimantaient que la surface externe des matériaux et ne pénétraient pas à l'intérieur.
Ces études, reprises vers 1933 par le professeur Stefan PROCOPIU (1890-1972) de l'Université de Iasi en Roumanie par exemple seront confirmées et mises en équation. Faites avec des fils métalliques de différents diamètres, Procopiu montrera que la désaimantation variait comme la racine carrée de la fréquence et du diamètre du fil.
Désaimantation du fer par un courant haute fréquence
Essais réalisés par le Professeur Stefan PROCOPIU
Extrait du manuscrit publié le 11 mars 1933
En perfectionnant son dispositif expérimental et en fixant une antenne sur son magnétomètre, Rutherford avait même constaté la déviation de l'aiguille de son appareil pour les signaux électromagnétiques transmis depuis plus de un mile (1.6 Km).
Il avait ainsi inventé un magnetic detector primitif. Mais bien sûr, une possibilité d'application pratique n'apparu pas immédiatement au savant.
Les équipes de chercheurs de Marconi mirent quelques années à transformer cet appareil de laboratoire en un dispositif industriel viable.
L'effet détecteur de l'appareil de Marconi est dû au fait que les aimants qui entourent le fil de fer saturent localement l'aimantation. Les ondes radio qui traversent la bobine primaire et créent une variation de champ magnétique désaimantent localement le fil et de ce fait induisent un courant variable dans la bobine secondaire avec un effet de diode (désaimantation mais pas de "suraimantation" sur un signal sinusoïdal) qui permet d'exciter la membrane de l'écouteur et de générer un son audible.
Fonctionnement du détecteur magnétique
La mise en mouvement du fil permet de maintenir l'aimantation du fer
à un niveau moyen constant sur la courbe de saturation
La variation de flux magnétique restitue dans l'écouteur, à un facteur de gain près caractéristique des bobines,
un signal comparable à la composante basse fréquence du signal reçu.
Quelques informations de base sur les aimants artificels.
Les aimants anciens étaient fait en acier (alliage fer carbone).
Les aimants domestiques (aimants pour fixer au réfrigérateur ! ) sont réalisés en ferrite, poudre d'oxyde de fer compactée et liée par cuisson au four avec du cobalt (frittage).
Ce type d'aimant est aussi utilisé largement dans l'industrie électrique et l'électronique (moteurs, déviation magnétique, ....).
On peut aussi mélanger la poudre de ferrite à du caoutchouc et faire des bandes aimantées souples (fermetures étanches de portes de frigo).
De nombreux aimants modernes de forte puissance sont fait en NdFeB (alliage néodyme-fer-bore).
D'autres éléments sont aussi utilisés parmi la famille des "lanthanides", comme le Samarium (alliages SmCo5 et Sm(CoFeCuZr)).
Les aimants en forme de fer à cheval sont généralement fabriqués dans un alliage nommé AlNiCo (aluminium-nickel-cobalt et fer) connu dans des variantes sous les appellations commerciales Ticonal, Alni, Alcomex.
C'est le cas de ceux utilisés pour réaliser la réplique du détecteur de Marconi.
L'AlNiCo est mieux adapté à ce type d'aimants car il est moins cassant et nettement plus résistant à la chaleur (jusqu'à environ 450 degrés Celsius).
L'AlNiCo est 8 fois plus faible que le NdFeB. Il reste cependant nettement plus puissant qu'un aimant en ferrite.
Un aimant est caractérisé par un certain nombre de grandeurs physiques (rémanence, excitation coercitive, ...)
et par son produit énergétique maximum qui représente l'énergie maximum qui peut être emmagasinée dans un aimant (Le produit énergétique maximum est la surface du plus grand rectangle inscrit dans le cycle d'hystérésis du matériau.).
L'unité utilisée est le kJ.m-3 (kilo joule par mètre cube) ou MGOe (méga Gauss Oersted).
Pour une même application on peut soit utiliser un petit aimant avec un grand produit énergétique, soit un grand aimant avec un petit produit énergétique.
Il faut retenir aussi que les aimants perdent spontanément leur aimantation quand on les chauffe au dessus d'une température appelée point de curie. L'effet réapparait au refroidissement. Le point de Curie pour la ferrite par exemple est aux alentours de 530 °C.
A noter
Le brillant commandant français Camille Tissot fera en 1903 une communication sur le détecteur magnétique à la Société Française de Physique et qu'il confirmera, après avoir fait ses propres expériences, l'intérêt de l'invention de Marconi.
(1) Miss Brooks (Harriet Brooks - 1876-1933 - graduate of McGill University Montreal) fut l'une des femmes les plus remarquables dans le domaine de la physique nucléaire après Marie Curie (entrée au Cavendish Laboratory de Cambridge en 1903, elle identifia entre autre le radon). Elle fut la première assistante de Lord Ernest Rutherford - Prix Nobel de chimie en 1908.
Le détecteur électrolytique
Au début du siècle le commandant FERRIE met au point un détecteur électrolytique plus sensible et plus fiable que le cohéreur.
Il est composé de deux électrodes qui plongent dans une solution d'eau acidulée.
La forme spéciale de la cathode en platine rend le détecteur conducteur sous l'effet d'une perturbation électro-magnétique.
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La présence d'un électrolyte corrosif limite l'emploi de ce détecteur à des stations de réception fixes et interdit son utilisation sur les premiers avions.
Schéma de principe du détecteur électrolytique
Vignette réclame vers 1920
Mercerie A Tout Pour Rien-Maison JOURDAINE à Rouen
Les découvertes de l'électricité-20-TSF
Détecteur électrolytique ancien
Photo Stéphane Héliez
Les composés métalliques
Une étude systématique de nombreux composés métalliques naturels a été faite par bien des scientifiques.
Certains ont un effet détecteur, d'autres pas.
La PYRITE DE FER (sulfure de fer) et le CARBORUNDUM (carbure de fer) sont des matériaux cristallisés qui présentent le même effet détecteur que la galène, mais contrairement à celle-ci leur fonctionnement nécessite l'emploi d'une pile ce qui a limité leur utilisation pratique.
La CHALCOPYRITE (Mot créé par le minéralogiste Henckel en 1725, composé du grec chalkos pour cuivre - sulfure double de cuivre et de fer) est ausi un bon minéral pour détecteur.
Vous avez dit pomme de terre !
Il suffit de mettre dans le petit réceptacle galénique d'un poste à galène un morceau de pomme de terre et d'écouter ; Ca marche, probablement grâce à l'amidon, qui aurait un effet semi-conducteur.
Pour faire un essai, c'est très simple comme aurait dit Monsieur Aisberg !
Plantez une chute de tôle en zinc dans une pomme de terre et une lame de cuivre sur la face opposée.
Reliez l'ensemble avec deux fils en place de la galène de votre récepteur.
Si le système ne fonctionne pas du premier coup, déplacez à différents endroits de la patate les électrodes. Avec de la patience vous risquez d'entendre une radio AM pour peu que l'émetteur ne soit pas trop loin.
Jacques Steyaert, m'a raconté que cette technique était utilisée pendant la Grande Guerre par les soldats lorsqu'ils ne pouvaient pas disposer de galènes. Il a plus tard refait l'expérience avec succès.
Si ça marche avec une pomme de terre, ça devrait peut-être marcher avec d'autres végétaux ?
De belles pommes toutes rouges par exemple ? Pas certain que ça fonctionne avec un citron, l'acide citrique est un conducteur.
Vous avez une bonne mine !
En période de guerre, les soldats de l'US Army étaient arrivés à construire et à faire fonctionner des postes de radio sans galène !
Les GI's (Government Issue - envoyé du gouvernement) avaient bien sûr sur le terrain, pendant la guerre du Pacifique en particulier, des difficultés à s'approvisionner en matériels non stratégiques comme des cristaux de galène.Ces Mac Gyver arrivaient quand même à fabriquer beaucoup de choses à partir des éléments de récupération qu'ils avaient sous la main. Est-ce pour cette raison, que leur sigle fut associé au terme Galvanized Iron (acier galvanisé) en référence aux boîtes de conserve de leur ration alimentaire !
Pour passer le temps dans leur foxhole (trou de renard - fighting hole - trou de combat), ces soldats écoutaient les radios américaines sur des postes de fabrication artisanale.
Voyez comment réaliser une réplique de ces foxhole radio
Une réalisation ludique pour étonner copains et ami(e)s !!
Attention, les lampes de rasoir modernes sont recouvertes d'un vernis anti-corrosion parfaitement isolant. Pour que le détecteur fonctionne, il faut employer une vieille lame ou décaper une lame neuve avec de la toile émeri pour enlever le vernis.
Il parait qu'une vieille lame rouillée donne aussi de bons résultats. A tester !!
Bon amusement !
Plus moderne
Le GERMANIUM et le SILICIUM et d'autres composés chimiques (Arsenic, Gallium, Antimoine, etc) sont employés dans les applications modernes sous forme de diodes miniaturisées, pour les courants faibles (radio, électronique, informatique) mais aussi de composants plus gros pour les courants forts (Stations électriques, fours, moteurs de traction).
Dans ce dernier cas, on parle de redresseurs et non plus de détecteurs radioélectroniques.
Diode au germanium
Diode d'ancienne génération - vers 1960
Les premières diodes commercialisées dans les années 1960 en France, pour le grand-public, pour des applications à la Radio, ont été des diodes à pointe au germanium. Ce matériau semi-conducteur permet de réaliser des diodes ayant un seuil de 0,2 à 0,3 volts (0,7 à 0,8 pour le silicium) plus performantes pour la détection des signaux modulés en amplitude.
De plus, la capacité très faible de ce composant est bien adaptée pour la détection des signaux HF.
Caractéristique d'une diode au germanium
Diode à pointe
Le tableau ci-dessous montre les caractéristiques respectives de différents types de diodes industrielles.
Différents types de diodes
Seuils de conduction
Le diagramme montre les caractéristiques de diodes réalisées dans différents matéraux semi-conducteurs. Elles se différencient par le seuil de conduction qui va de 0.2 V pour les diodes au germanium à 2 V pour les diodes au carbure de silicium de dernière génération.
Ces composants ont des applications industrielles spécifiques. Les diodes au silicium et au carbure de silicium permettent par exemple de redresser de forts courants pour des applications industrielles de forte puissance.
Les diodes au germanium sont réservées à l'électronique et à la micro-informatique.
Nous terminerons là cette présentation de base sur les détecteurs "statiques" à semiconducteurs.
Pour plus d'information sur le sujet, il existe une vaste documentation sur Internet à laquelle vous pourrez vous reporter.
Pour mémoire, notons enfin que c'est Aisberg, en France, qui dans sa revue TOUTE LA RADIO N° 128 de septembre 1948, annonça l'invention de la diode à semiconducteur et du transistor.
Station de redressement industrielle
vue sur les redresseurs et le système de refroidissement
Photo Wikipédia
Un grand merci à Jonas Demeulenaere ingénieur de Mouscron en Belgique pour les belles images prises dans son labo d'électronique.
Merci à Jacques Steyaert de Louvain la Neuve en Belgique, qui m'a rapporté le témoignage de sa grand-mère Zoé Droesbeke(1878-1970), sur l'utilisation de la pomme de terre comme détecteur de Radio.
Merci à Bruno Henry pour ses informations sur le détecteur magnétique de Marconi.
Merci à Jean Cudraz pour son aide à la réalisation d'un détecteur et pour ses belles images.