Réalisé par Antoine LEFEVRE et Florian THOUANT

Encadré par Maxime BONIS

COMMUNIQUER PAR LALUMIERE

Année : 2014/2015 Lycée Pierre de la Ramée Saint-Quentin

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SOMMAIRE

INTRODUCTION........................................................................................................................p.3

UN PETIT PEU D'HISTOIRE......................................................................................................p.3

LES CRISTAUX LIQUIDES.......................................................................................................p.4

1. Description................................................................................................................................p.4

2. Fonctionnement.........................................................................................................................p.5

3. La polarisation de la lumière.....................................................................................................p.6

4. Pouvoir rotatoire.......................................................................................................................p.8

RECHERCHE DE CRISTAUX LIQUIDES................................................................................p.9

1. Par récupération(1)....................................................................................................................p.9

2. Par synthèse chimique...............................................................................................................p.9

3. Par récupération(2)....................................................................................................................p.11

ENVOI D'UN MESSAGE PAR CRISTAUX LIQUIDES...........................................................p.13

1. Émission du signal....................................................................................................................p.13

2. Réception du signal...................................................................................................................p.15

3. Pourquoi dt = 0,08s ?................................................................................................................p.18

4. Conclusion de cette expérience.................................................................................................p.18

ENVOI D'UN MESSAGE PAR FIBRE OPTIQUE.....................................................................p.19

1. Composition d'une fibre optique...............................................................................................p.19

2. Fonctionnement d'une fibre optique.........................................................................................p.19

3. Montage....................................................................................................................................p.20

4. Les modifications des programmes..........................................................................................p.21

5. Les limites.................................................................................................................................p.21

CONCLUSION.............................................................................................................................p.22

Remerciements..............................................................................................................................p.23

Bibliographie.................................................................................................................................p.23

Sitographie....................................................................................................................................p.24

ANNEXE 1 : Télécommunications..............................................................................................p.25

ANNEXE 2: Protocole de la synthèse des cristaux liquides........................................................p.27

ANNEXE 3 : Fabrication de verre conducteur, photos................................................................p.29

ANNEXE 4 : Photos de la première synthèse .............................................................................p.30

ANNEXE 5 : Documents de la deuxième synthèse......................................................................p.31

ANNEXE 6 : Programmes Python...............................................................................................p.32

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Introduction

En début d'année de première S, M. Bonis est venu nous présenter le concours des Olympiades de laphysique. Malheureusement, tout au long de l'année nous n'étions que deux élèves dans notre groupe. Nondécouragés, nous nous sommes mis en tête de trouver un projet.

Ayant tous les deux lu le dossier de Science et Vie Junior sur la lumière et étant tous deux passionnés parcette thématique, nous nous sommes décidés à essayer de transmettre un texte grâce à la lumière, un peu comme lafibre optique ou les ondes radio, mais nous voulions utiliser notre propre système.

Dès lors, nous nous sommes demandé comment mener à bien notre projet. Nous avons pensé à utiliser unlaser et deux ordinateurs (un pour émettre et coder le message, l'autre comme récepteur du message). Aprèsplusieurs séances à réfléchir à un moyen de moduler le rayon du laser, différentes solutions sont apparues : nouspouvions utiliser soit un laser modulable directement, soit un système mécanique ou chimique pouvant obturer lefaisceau de façon commandée. Les cristaux liquides, utilisés dans certaines lunettes 3D et dans certains écrans, ontété suggérés par M. Bonis et ils ont retenu notre attention. Cette espèce chimique a la faculté de laisser passer oupas la lumière selon qu'elle est soumise à une tension électrique ou non. Après une année de travail, nous avonsréussi à envoyer quelques mots grâce à un laser modulé par des cristaux liquides. Cette expérience est le cœur denotre projet, et nous l'avons présentée au concours régional.

Suite aux suggestions du jury à Champs-sur-Marne, nous avons prolongé notre travail par quelquesexpériences sur la polarisation de la lumière, permettant de mieux comprendre le fonctionnement des cristauxliquides. Nous avons également mis la main sur un kit diode-laser fibre optique pour réaliser l'expérience d'envoid'un message de façon plus actuelle !

Un petit peu d'histoireNous avons procédé à une recherche sur l'histoire de la communication. Les détails complets sont dans

l'annexe 1.

Nous pouvons citer l'utilisation des signaux de fumée ou du morse, qui reposent sur le principe de codage del'information.

Intéressons-nous au photophone de Bell qui a réussi à transmettre un son par la lumière.

Photophone de Graham Bell

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En 1876, Graham Bell invente le téléphone, on peut maintenant transmettre un son grâce à l'électricité. Mais G.Bell est persuadé que le téléphone n'est pas la meilleure invention, car celle-ci est coûteuse dans la pose des fils. Ilfit alors une découverte : le photophone. Cet appareil permet de transmettre un son par la lumière. En effet, Bell aréussi à moduler la lumière ce qui lui a permis de transmettre sa voix. Des plaques de sélénium reçoivent ce signallumineux et le convertissent en signal électrique, puis un haut-parleur convertit le signal électrique en signalsonore.

Aujourd'hui, la fibre optique est utilisée. Elle est constituée d'un émetteur de lumière (laser pulsé) et d'un milieutransmetteur, une fibre de verre très mince et d'un récepteur.

Les cristaux liquides

1. Description

Photo de l'afficheur à cristaux liquides utilisé dans le projet

Dans notre projet final, nous avons utilisé un afficheur de calculatrice que nous avons démontée, pour ne

garder que la partie contenant les cristaux liquides.

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Photo de l'afficheur de calculatrice démonté

Quelles sont les propriétés des cristaux liquides ?

Tout d'abord, les cristaux liquides sont caractérisés par un état intermédiaire entre la phase cristalline, où règne unordre de position tridimensionnel (tel que les diamants...) et la phase liquide (eau...) où aucun ordre n’existe. C'estpourquoi nous les appelons les « cristaux » « liquides ». Ils ont été découverts en 1888 par l’Autrichien FriedrichReinitzer et son collègue Lehmann. Ces cristaux liquides sont répertoriés dans trois grandes familles :

- Phase smectique car elle possède des propriétés mécaniques proches de celles d'un film savonneux(savon se dit smectos en grec).

- Phase nématique car cette phase présente souvent des défauts ressemblant à des fils (nêmatos en grec).

- Phase cholestérique car elle a été découverte dans des dérivés du cholestérol.

2. Fonctionnement

La plupart des cristaux liquides sont composés de molécules neutres, mais quelques fois certainesmolécules peuvent être assimilées à des dipôles électriques (à cause de la nature de leurs atomes). Ces moléculesont tendance à s'aligner un peu au hasard, mais quand on applique une tension, elles opèrent une rotation jusqu'às'aligner parallèlement à l'axe du champ électrique.

Cette particularité de certains cristaux liquides est utilisée dans les écrans LCD. Les verres sont traités etbrossés pour que les cristaux liquides s'alignent par rapport aux électrodes. Celles-ci sont décalées de 90 degrés,ainsi les cristaux liquides prennent une forme d'hélice. Les électrodes sont suivies de polariseurs alignés dans leur« axe de brossage » . En voici un schéma explicatif :

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Voilà comment fonctionnent les cristaux liquides dans les afficheurs et quelles sont leurs propriétés. Maisces afficheurs ont quelques limites que les spécialistes essayent toujours de surpasser. Nous pouvons citer parexemple leur temps de réponse assez lent (quelques ms pour de bons cristaux) que nous pouvons expliquer par letemps que mettent les cristaux liquides à s'aligner par rapport au champ électrique auquel ils sont soumis.

3. La polarisation

Pour mieux comprendre l'action des cristaux liquides sur la lumière, intéressons-nous de plus près à lanotion de polarisation.

Naturellement la lumière vibre dans toutes les directions transversales à sa direction de propagation.

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Grâce à un polariseur nous pouvons « sélectionner » l'axe vibratoire que nous voulons. Voici un schémaexplicatif :

Un seul axe vibratoire est gardé, mais nous voyons que cette polarisation diminue l'intensité lumineuse dufaisceau lumineux.

A présent, on place après ce premier polariseur un second polariseur appelé analyseur.

L'intensité lumineuse du faisceau en sortie sera plus ou moins élevée, tout dépendra de l'angle entre les deuxpolariseurs.

La loi de Malus permet de trouver cette intensité lumineuse. Cette loi dit que I=I0 cos²θ. Voici un schémaexplicatif (ceci fonctionne pour une lumière déjà polarisée) :

A la sortie de l'analyseur, l'intensité de la lumière sera égale à l'intensité I. Si l'angle θ est égal à 0 (l'axe detransmission du polariseur et de l'analyseur sont alors confondus), on a cos²0=1. L'intensité lumineuse transmiseest I=I0 cos²θ =I0 1 = I0 et elle est donc maximale.

Dans notre cas, les cristaux liquides font tourner la polarisation de 90° et l'analyseur est perpendiculaire aupremier polariseur, on obtient donc une intensité maximale en l'absence de tension exercée. En effet, les cristauxliquides ont la particularité de pouvoir changer l'axe vibratoire de la lumière polarisée. On dit qu'ils ont un pouvoirrotatoire, ce que nous allons expliquer plus en détail dans la partie suivante.

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4. Pouvoir rotatoire

Nous avons étudié cette rotation de la polarisation de la lumière grâce à une expérience utilisant dumaltose à la place des cristaux liquides, que nous n'avions pas en notre possession en dehors des écrans (nousexpliquons nos tentatives pour nous en procurer dans la partie suivante).

En effet, toute molécule chirale a la particularité de pouvoir « tourner » la lumière polarisée. Pour notreexpérience, nous avons choisi du maltose, pour son pouvoir rotatoire élevé et sa disponibilité au lycée.

Définition d'une espèce chirale : Un objet ou un système est dit chiral s’il constitue l’image miroir d’un autre objetou système avec lequel il ne se confond pas.

Ex : 2 mains sont chirales

Chaque espèce chirale dispose d'un pouvoir rotatoire spécifique [α]λ ,T dépendant de la température et dela longueur d'onde de la lumière. Une lumière polarisée passant à travers une cuve de longueur l tourne d'un angle

α déterminé par la loi de Biot :

α = [α]λ, T l c

avec : α : angle de rotation de la lumière polarisée en °,

l : longueur de la cuve en dm,

c: concentration de la solution en g par cm³.

Dans notre expérience, nous utilisons une cuve de 0,75 dm avec une concentration en solution de 0,80 g/mL, cequi est proche de la concentration de saturation 1,08 g/mL à 20°C. La dissolution complète a pris plus d'une heure.Nous avons utilisé une balance et une fiole jaugée.

Le pouvoir rotatoire spécifique du maltose à 20°C est de +130° 2° pour la longueur d'onde du sodium 589 nmdonc en théorie :

α =[α]D20 l c = +130 0,75 0,8 = 78°

Dans notre expérience, nous avons mesuré un pouvoir rotatoire de 53° avec la lampe au sodium. Cette valeur esttrès différente de la valeur théorique. Pour voir si cela venait d'une erreur, notre professeur de chimie nous amontré une mesure au polarimètre et nous avons trouvé quasiment la même valeur. Ayant vérifié tout ce que nouspouvions, nous nous disons que le maltose utilisé était peut-être trop vieux (la boite date de 2001).

Nous avons fait d'autres mesures : avec un laser vert à 532 nm nous obtenons un angle de rotation de 65° et avecun laser rouge à 650 nm on mesure 43°.

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Maintenant nous allons vous expliquer comment nous avons obtenu ces fameux cristaux liquides.

Obtention de cristaux liquides

1. Par récupération (1)Nous avons tout d'abord tenté de récupérer les cristaux liquides en démontant un vieux portable. En effet,

ce composé est présent dans de nombreux objets technologiques dont les portables. Mais cela fut assez compliquéet au final, nous avons perdu tous les cristaux liquides présents dans le portable... C'est pourquoi nous avons voulutenter sa synthèse (nous n'avons pas trouvé le moyen d'acheter des cristaux liquides purs sur Internet et nousavions été découragés pour retenter une récupération de ces cristaux dans des objets quotidiens, pensant que danstous nos essais, l'extraction serait aussi compliquée qu'avec le portable).

Étant dans l'incapacité de trouver comment acheter des cristaux liquides sur Internet (dans les volumesqui nous intéressaient), nous nous sommes décidés à tenter leur synthèse. En effet, nous avions trouvé plusieurssites qui nous proposaient une méthode pour synthétiser un cristal liquide : le MBBA (ou N-(4-méthoxybenzylidène)-4-butylaniline) qui est le plus répandu.

2. Par synthèse chimiqueAvant même de commander les réactifs pour la synthèse, un problème émergea : comment réussir à faire

passer du courant sur une plaque de verre ? Nous devions effectivement utiliser une plaque de verre conducteurpour pouvoir déposer les cristaux liquides et leur faire subir une tension. Nous avons trouvé un moyen pour« électriser » une plaque de verre. Pour ce faire, nous avons procédé à l'ajout de chlorure d'étain en poudre quenous avons fait fondre sur la plaque et grâce à un sèche-cheveux, nous l'avons appliqué sur toute sa surface(photos en annexe 3).

Après avoir procédé à plusieurs essais (du fait de la complexité à appliquer le produit assez rapidement sur tout leverre avant qu'il ne se solidifie ), nous sommes finalement parvenus à notre objectif sur une petite zone. Nousavons pu y mesurer une résistance de quelques kiloohms entre deux pointes posées séparées d'un centimètre, alorsque sur du verre normal cette résistance est infinie.

Nous pouvions donc procéder à la tâche suivante : la synthèse des cristaux liquides.

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Notre source était : http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Synth%C3%A8se_du_MBBA.

Nous avons commandé du 4-méthoxybenzaldéhyde qui est un liquide incolore irritant pour la peau et lesmuqueuses et du 4-butylaniline qui est un liquide incolore toxique, qui n'étaient pas présents dans notre lycée.

Une fois les produits arrivés nous avons suivi le protocole afin de pouvoir synthétiser du MBBA (pour leprotocole complet voir annexe 2).

(a) Etapes de l'expérience

Tout d'abord nous cherchons à fabriquer une imine (qui présente les caractéristiques d'un cristalliquide). Voici l'équation de la réaction :

Réactifs Produit

dans l’éthanol en présence d’acide éthanoïque

Il s'agit d'une condensation du 4-heptyloxybenzaldéhyde avec la 4-butylaniline, c'est-à-dire une réactiond’addition accompagnée d’une élimination d’une petite molécule, ici de l’eau, H2O.Pour réaliser la synthèse des cristaux liquides nous avons dû utiliser un montage de chauffage à reflux pourmélanger le 4-méthoxybenzaldéhyde avec le 4-butylaniline et l' éthanol, l'éthanol jouant le rôle de solvant. Puisnous avons distillé l'éthanol, la couleur du mélange devait ainsi devenir jaune (résultat tout autre comme décritensuite). Ensuite nous avons mélangé la solution avec de l'éther éthylique permettant de nettoyer les derniersrésidus et pour finir nous avons séché la solution avec du sulfate de sodium anhydre puis évaporé l'éther sousvide.

(b) Résultats de l'expérience

Nous avons procédé à la mise en pratique de ce protocole un mercredi après-midi sur un TP d'environ 3h.Nous avons suivi le protocole, la solution avait une couleur jaunâtre comme indiqué dans celui-ci. Nous avonsréussi l'étape de chauffage à reflux du milieu.

Ensuite, nous devions procéder à la distillation de l'éthanol et nous avons mis en place un montage de distillation.Celle-ci commença très bien, jusqu'à ce qu'une brume, ou plutôt un brouillard apparaisse dans le ballon rond, etmonte dans la colonne à distiller. Par prévention nous avons préféré arrêter la distillation.

Après un certain temps d'attente, deux phases apparaissent dans le ballon rond, l'une de « couleur » noireet l'autre la « nuée ». Au final, la solution était devenue noire alors qu'elle était de couleur jaune au début de laréaction et devait le rester (photos disponibles dans l'annexe 4). Cette apparition de brouillard ne devait en aucuncas avoir lieu. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer ceci :

- Des réactifs de départ de qualité insuffisante (pas assez purs?).

- Un protocole pas assez rigoureux.

- Un chauffage trop violent ayant entraîné la dégradation de l'un des produits.

Après test, il s'avère qu'aucun cristal liquide n'a été récupéré. Nous avons mis en tension le liquide sur deslames de fer (le liquide était incolore au début de l'essai car l'épaisseur était petite) mais aucune obstruction de la

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lumière n'a été visible alors que le protocole indiquait un noircissement sous tension.

Du fait de cette mauvaise manipulation et de la durée de l'expérience assez longue (plus de 3h), nous avonspréféré laisser cette méthode de côté à ce moment-là. Mais après notre qualification aux Olympiades nationales,encouragés par l'intérêt et les conseils du jury par rapport à cette synthèse, nous avons décidé de retenter lasynthèse des cristaux liquides avec l'aide de nos professeurs de chimie Mme Denel et M. Voisin.

( c ) Nouvelle tentative de synthèseCette fois-ci le protocole a été modifié pour que l'eau soit éliminée directement pendant la synthèse. En effet, leMBBA est une imine susceptible d'être détruite par l'eau produite en même temps qu'elle et donc de reformer lesréactifs utilisés. Mais lors de la distillation de l'eau, celle-ci emporte avec elle une partie de l'éthanol qui joue lerôle de solvant. C'est pourquoi nous ajoutons au compte-goutte de l'éthanol. Pendant la distillation, nousobservons une température d'ébullition de 78°C (cf annexe 5).

Voici une photo de l'expérience :

A l'issue de l'expérience nous avons récupéré des cristaux que nous avons lavés à l'éther diéthylique (cf annexe 5).

Nous avons mesuré une température de fusion au banc Köfler des cristaux formés d'environ 80°C (au lieu de 18°Cprévue).

Un test de mise sous tension de ces cristaux, solubilisés dans l'éthanol, n'a donné aucun résultat : les produitsn'obscurcissent pas la lumière.

3. Par récupération (2)

Du fait de l'échec de notre synthèse, nous retentons la récupération de cristaux liquides via des objets du

quotidien mais cette fois-ci avec un afficheur bien plus simple que celui d'un portable. Nous avons commandé unafficheur de calculatrice mais en pièces détachées ce qui fait qu'il est ainsi beaucoup plus maniable. Nous avons

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identifié la plaque contenant les cristaux liquides plus aisément. De plus, la présence de fiches nous facilita letravail pour faire réagir les cristaux liquides (mais la recherche d'un contact électrique optimal sur les fiches n'estjamais évident). Voici un schéma de notre plaquette. Ce schéma n'était pas fourni par la notice, et nous avons dûtâtonner et observer le circuit intégré qui était collé dessus pour bien comprendre comment faire réagir un pixel.

Schéma de la plaquette de cristaux liquides

Nb : Les contacts électriques étaient assez mauvais. Nous avons donc essayé de mettre en œuvre plusieurs moyenspour permettre un meilleur contact. Nous avons finalement opté pour des fils dénudés tenus par des pincescrocodiles.

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Cristaux liquides

fiche masse

Expérience d'envoi d'un message grâce aux cristaux liquides

1. Émission du signal

Photo représentant le montage d'émission

Afin d'émettre notre message, nous devons disposer d'un ordinateur (équipé du logiciel LatisPro et denotre programme), puis d'un laser (ici nous utilisons un laser de classe 2 ayant une puissance de 1 mW), de noscristaux liquides (cf schéma dans la partie sur l'extraction des cristaux liquides). Mais l'inconvénient de laplaquette de cristaux liquides est qu'elle diffuse la lumière (= étalement de la lumière). C'est pourquoi nousutilisons une lentille convergente d'une distance focale f' de 20 cm afin de faire converger le maximum de lumièreen un point (sur le photorécepteur).

D'après la méthode de Bessel, pour qu'une image réelle puisse se former il faut que la distance D soit supérieure à4f'. Ici la distance entre l'émetteur et le récepteur est d'environ 80 cm donc f' doit être supérieure à 80/4= 20 cm,c'est pourquoi nous avons choisi une lentille ayant une distance focale f' de 20 cm.

Tout d'abord, nous devons saisir le message puis le traduire par l'intermédiaire d'un programmeinformatique. Nous avons choisi le langage de programmation Python. M. Bonis nous y a initiés avant de pouvoirpasser à l'application sur notre projet. Les programmes complets sont proposés dans l'annexe 5.

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Le programme d'émission a pour but de demander le ou les mot(s) dans une fenêtre puis de les traduire en unsignal électrique dont les valeurs sont écrites dans un bloc note.

Grâce à différentes fonctions de Python, on traduit chaque caractère saisi, en un octet c'est-à-dire une suite de 8bits (ceci correspond à la traduction binaire pour une lettre). Au niveau du signal électrique associé, chaque bitcorrespond à 4 points, ce qui permet d'avoir un créneau de qualité correcte et diminue ainsi le risque d'erreur dû autemps de réponse des cristaux liquides. Cela assure de plus grandes chances de bonne réception.

Le programme d'émission crée un fichier texte (ci-contre à gauche) où seront écrites les valeurs du signalélectrique dans la colonne 1 et les valeurs de temps dans la colonne 2. Un bit 1 est représenté par 4 pointsdont la valeur est égale à 4 V, et un bit 0 est représenté par 4 points à 0 V. Le pas de temps choisi est de0,08 s, ce qui fait 0,32 s pour transmettre un bit.

Prenons l'exemple de la lettre A, tout d'abord notre programme traduit cette lettre en son code ascii (grâce àune fonction de Python), ici 065 puis en son code binaire (toujours grâce à une fonction de Python) ici01000001. Comme vous pouvez le constater, un bit 1 (4444) est ajouté avant le 010000001, et 8 bits 0 sontajoutés à la fin. Ces ajouts servent à la détection du début et de la fin du message, nous y reviendrons.

Nous importons ensuite ce ficher texte vers le logiciel LatisPro qui nous permet de pouvoir les visualisergraphiquement. Le logiciel permet également de commander une carte d'acquisition envoyant des signauxélectriques correspondant ici aux variations du graphique. Cette carte d'acquisition est reliée à notreplaquette à cristaux liquides via nos fils dénudés et pinces crocodiles, et permet de les commander. Ainsi,

pour un bit qui vaut 1, il y aura donc une émission de tension de 4 V pendant 0,08 4 = 0,32 seconde etl'écran de cristaux liquides paraîtra noir. Voici la représentation graphique de notre lettre A.

Capture d'écran du logiciel LatisPro à l'émission de A

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Le faisceau du laser placé devant l'écran est soit absorbé soit diffusé par l'écran (d'où la présence de lalentille permettant de concentrer le signal) et sera capté par la partie réception.Nb : bit 0 : pas de tension électrique donc la lumière passe et bit1 : une tension électrique est émise donc lescristaux s'obscurcissent et la lumière ne passe pas.

Remarque : l'amplitude de 4 V peut être modifiée pour optimiser la réponse des cristaux, nous avons obtenufinalement de meilleurs résultats avec 6V. La réponse des cristaux et la qualité des contacts électriques sontsensibles à l'humidité et à la température.

2. Réception du signal

Photo représentant la partie réception de notre montage

Le signal émis arrive dans la partie réception. On fait converger la lumière au maximum dans le récepteur,

qui est un phototransistor, alimenté par un générateur continu (10 V). Le signal électrique issu du photorécepteurest enregistré avec une deuxième carte d'acquisition et visualisé dans LatisPro. Cette carte d'acquisition admet unmaximum d'acquisition à 10V. En la saturant (c'est-à-dire en dépassant 10 V), nous obtenons des signaux pluscarrés quand nous envoyons un bit 0.

De plus, nous avons choisi un phototransistor infrarouge. Comme nous pouvons le voir sur la courbe deréponse spectrale ci-dessous, ce récepteur perçoit les ondes rouges du domaine du visible. On peut ainsi fairel'expérience sans obscurité, la lumière ambiante ne contient que peu de rouge et le récepteur y est peu sensible.

Ce type de photorécepteur a l'avantage de donner une tension importante en sortie mais il est assez lent,nous y reviendrons.

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Courbe typique de réponse d'une photodiode (nous n'avons pas trouvé

la courbe exacte de notre photorécepteur)

Voici le signal obtenu à la réception de la lettre A :

Pour pouvoir travailler sur ce signal et reconstituer le message émis nous exportons les valeurs de tension et detemps dans un fichier texte, qui sera ensuite lu par un programme Python de réception.

Voici la forme du début du fichier texte obtenu ( temps, tension). Le pas de temps est choisi 0,02 s, et la durée d'unbit est 0,32 s.

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Temps;EA4 → Plusieurs problèmes se posent :

0;10 - Comment le programme pourra différencier la

0.02;10 colonne temps et celle des tensions ?

0.04;10 - Quand le message commence-t-il et quand

0.06;10 s'arrête-t-il ?

0.08;10 - Comment limiter le risque de mauvaise

0.1;10 interprétation du message (à cause du retard

0.12;10 des cristaux liquides ?

0.14;10

0.16;10

Voici les différentes étapes de notre programme de réception (complet en annexe 5) :

- Au début, nous demandons au programme de lire les données des deux colonnes, sans les stocker tant

que la tension reçue est supérieure à 5 V (soit quand le cristal liquide est éteint et laisse passer la lumière). Ainsi,quand la tension reçue est supérieure à 5 V, nous demandons au programme de lire le premier bit du message quicorrespond à un 1 sans le stocker. Mais il ne lit que les 15 premières lignes et non 16, car quand le programme adétecté une tension supérieure à 5 V soit la première ligne du bit « 1 », ensuite il ne compte plus celle-ci. C'estpourquoi il doit lire les 16 – 1=15 premières lignes, pour éviter qu'il y ait un décalage dans le décodage du signal.

- Ensuite, nous voulons que le programme arrive à reconnaître une lettre et la traduise. Or une lettre estcomposée d'un octet soit 8 bits, c'est pourquoi nous avons écrit une boucle « pour » 8 tours. Ensuite, à chaque tour,le programme doit lire 16 lignes soit un bit. Ici la durée d'un bit est de 0,08/0,020 soit 16 lignes dans la réceptiondes données car 0,020 seconde correspond à la durée entre la réception de chaque point (que nous avonsparamétrée sur LatisPro) et le 0,08 correspond à la durée entre chaque point émis (dans le programme d'émission).Le programme différencie à chaque ligne la colonne « temps » et celle des tensions nommée « volt » grâce à lafonction split qui reconnaît le séparateur « ; ».

Nous voyons que dans notre exemple, un bit dure 0,32 s (en rouge) et un octet 2,56 s (en bleu), d'où l'utilité denotre boucle dans le programme.

- Puis nous lui demandons de repérer le maximum de la colonne « volt » pour chaque bit. On évite ainsique le programme ne prenne en compte le temps de transition pour que le cristal liquide change d'aspect, ce quirisque de parasiter notre message. Nous avons renforcé la fiabilité du programme.

- Enfin, si le maximum est supérieur à 9 V (en vert) alors le programme en déduit que le bit vaut 0. Surnotre graphique, toutes les valeurs supérieures à cette ligne représentent un bit 0. En effet, si la tension reçue estsupérieure à 9 V, cela signifie que la lumière traverse les cristaux liquides et donc qu'aucun courant ne passe dansceux-ci. La valeur de 9 V a été choisie comme palier car le récepteur est saturé et a pour palier 10 V. Pardéduction, si le maximum est inférieur à 9 V le bit vaut 1.

- Puis cela 8 fois, ainsi nous avons un octet. Pour notre lettre, celui-ci est [01000001]. Grâce à la fonctionchr qui permet de traduire des chiffres binaires en lettre, nous pouvons traduire notre octet. Nous utilisons lafonction int qui permet de convertir une chaîne de caractères en nombre, car jusque-là notre octet était considérécomme une suite de caractères.

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- Mais en réalité notre message n'était pas composé d'un seul octet mais de 2 (nous avons ajouté un bit dedébut et un octet de fin pour que notre programme sache quand s'arrêter). Ainsi lorsqu'il détecte l'octet '00000000'(qui ne correspond à aucun caractère) il s'arrête, mais celui-ci est aussi traduit par notre programme. C'estpourquoi nous utilisons la fonction len qui « compte » la longueur, le nombre de caractères de l'octet, ainsi lemessage=message-(n-1), qui permet d'enlever l'octet final.

3. Pourquoi choisir dt = 0.08 s ?

Après avoir fini la programmation de la réception et de l'émission du signal, il nous fallait optimiser nosvariables afin d'améliorer la rapidité de la transmission. Or comme nous l'avons déjà vu auparavant, les cristauxliquides ont un temps de réponse lent, celui-ci est plus ou moins grand selon la qualité de ces derniers. Ainsi, nousavons testé nos cristaux afin de trouver la meilleure durée possible entre chaque période. Dans notre programmeune période « type » créneau est composée d'un bit « 0 » et d'un « 1 », ce qui dure 4 0,08 + 4 0,08 s = 0,64s.(On rappelle qu'à l'émission un bit est représenté par 4 points, d'où le 4).

Nous avons réalisé plusieurs essais de réponse à un créneau avant de choisir cette valeur.

Pour une période de créneau de 1 s, le fonctionnement est en général bon. C'est ce signal que nousutilisons à chaque fois que nous installons l'expérience pour tester notre matériel.

Pour une période de 0,5 s, des défauts peuvent apparaître, suivant la qualité de placement de nos pincescrocodiles. Nous avons donc choisi une valeur de période intermédiaire T = 0,64 s, donnant priorité à la qualité dusignal plutôt qu'à la vitesse de transmission, qui reste de toute façon faible : quelques bits par seconde avec noscristaux.

4. Conclusion de cette expérience

Grâce aux cristaux liquides, nous pouvons envoyer des messages avec une vitesse de 3 bit/s car lescristaux liquides n'ont pas le temps pour s'exciter et revenir à leur état initial. Cette valeur est bien inférieure auxautres moyens de communication comme la fibre optique qui peut émettre avec un débit de 10 Gbit/s. De ce fait, nous avons tenté la même expérience, le montage restant le même, avec la fibre optique maisen changeant les valeurs permettant le fonctionnement du programme. Avec cette fibre optique nous pouvons alorsenvoyer un message 1000 fois plus vite mais nous sommes encore loin des valeurs du réseau detélécommunication !

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Envoi d'un message par fibre optique

1. Composition d'une fibre optiqueUne fibre optique est composée de trois éléments :

• Le cœur, généralement composé de silice (dérivé du silicium), c'est ici que la lumière se propage en seréfléchissant.

• La gaine optique, qui est composée du même matériau que le cœur, mais de moins bonne qualité : l'indicede réfraction est alors inférieur à celui du cœur.

• Le revêtement de protection généralement en plastique.

2. Fonctionnement d'une fibre optiqueTout d'abord, il faut savoir que le fonctionnement de la fibre optique est basé sur le principe de la

réflexion totale interne, soit lorsque le rayon réfracté n'existe plus.

Pour qu'il y ait réflexion totale interne de la lumière il faut que :

- L'indice de réfraction du milieu incident soit plus grand que celui du milieu réfracté.

- L'angle d'incidence doit être supérieur à l'angle critique.

Voici une illustration du phénomène :

Grâce à la loi de Snell-Descartes, nous pouvons trouver cet angle critique (θc) qui est l’angle incident avec lequel

l'angle de réfraction est pris égal à 90°. Si l'angle incident est supérieur à cet angle critique alors il y a réflexioninterne totale :

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Nous savons d'autre part que la fibre optique ne peut pas transmettre à l'infini un faisceau lumineux, celui-cibaisse en puissance avec la distance.

Nous savons que la puissance lumineuse en sortie (PS

) diminue exponentiellement en fonction de la distance :

PS = P

e exp(-α L)

avec Pe: puissance lumineuse à l'entrée de la fibre optique

α : le coefficient d'atténuation

L : la longueur de la fibre optique

Ainsi pour certaines longueurs d'onde, le coefficient d'atténuation est moins élevé. Cela est le cas pourune onde de longueur d'onde voisine de 1,55 μm ou encore vers 1,3 μm. Ces ondes sont situées dans le domainedu proche infrarouge. Ce domaine de longueurs d'onde est utilisé aujourd’hui dans les télécommunications.

La fibre optique est déjà une grande avancée dans la vitesse des télécommunications mais nous voyons que sescapacités peuvent être atténuées par plusieurs facteurs :

• Selon l'angle à laquelle la lumière se réfracte, la silice a un indice de réfraction qui varie en fonction de lafréquence.

• En fonction de la distance : avec la distance, la puissance lumineuse diminue.

• La rapidité des transmetteurs optiques.

Aujourd'hui, la fibre optique permet le transfert de 10 Gbit/s (au maximum). Ce débit est un milliard defois plus grand que pour le transfert d'informations grâce aux cristaux liquides que nous avons utilisés (3 bit/s) etun million de fois plus grand que pour notre deuxième système (1000 bit/s).

3. Montage de l'expérience

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Nous gardons le même photorécepteur. La partie réception est inchangée.

L'émetteur est une diode laser, alimentée par un générateur continu, et commandée sur sa borne TTL par undeuxième signal électrique, issu de la carte d'acquisition du montage émission.

4. Les modifications des programmesNous utilisons toujours les mêmes programmes mais nous avons modifié quelques variables comme la durée entrechaque point. En effet, le système étant plus rapide nous pouvons envoyer un message plus vite.

Le dt à l'émission vaut à présent 0,248 ms, multiplié par 4 cela fait 0,992 ms pour un bit, soit un débit d'environ 1 kbit/s. Nous aurions pu tenter d'aller plus vite, mais le signal se déforme autour de 3 à 4 kbit/s.

Nous avons également dû modifier la valeur d'un bit 1 (donc de la tension émise). Dans notre premier programmela tension émise était soit 6 V (bit 1) soit 0 V (bit 0). Ici, après quelques tests, le signal est optimal pour destensions de 10 V (bit 1) et -5 V (bit 0). Ces valeurs permettent de faire clignoter au mieux la diode laser et derecevoir un signal carré entre 0 V et 10 V plus facilement exploitable par notre programme de réception.

Le message étant envoyé rapidement, nous devons faire une acquisition avec déclenchement automatique à laréception. Ci-dessous l'allure de l'envoi et réception de la lettre A.

5. Les limitesGrâce à ce système nous avons pu transmettre des informations avec un débit de 1000 bit/s donc

beaucoup plus rapidement qu'avec notre système avec des cristaux liquides mais cela est très loin des capacitésactuelles. En effet, aujourd'hui la transmission peut s'effectuer avec un débit d'environ 10 Gbit/s grâce à la fibreoptique soit dix millions de fois plus vite.

Il semblerait que la limite principale soit notre phototransistor qui est, comme nous l'avons déjà dit, assez lent. Ilnous faudrait optimiser le choix de notre récepteur et de notre émetteur pour approcher davantage des débitsusuels de fibre optique.

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Conclusion

Pour conclure, il nous a fallu une année entière pour mener à bien notre projet, en étantconfrontés à de multiples reprises à des problèmes auxquels nous n'avions pas pensé. Nous avonspu, grâce au concours des Olympiades de la physique, mettre en place une démarche scientifique derecherche pour finaliser notre projet. Nous avons pu nous investir dans un travail d'équipe et avoirle plaisir d'avancer ensemble dans une thématique qui nous passionne.

Nous avons ainsi pu répondre à notre problématique du tout début à savoir : est-il possiblede transmettre un message par la lumière ? Bien évidemment oui comme nous l'avons montré pardeux réalisations. Grâce à nos systèmes nous pouvons transmettre des messages à des débits de 2 à3 bit/s avec les cristaux et à 1000 bit/s avec la diode laser, ce qui est nettement inférieur au débitpotentiel du réseau Internet. Cela est dû au mauvais temps de réponse de nos cristaux liquides dansle premier cas, et au photorécepteur dans le second cas.

Grâce à notre projet, nous avons aussi découvert la programmation en Python et mieuxcompris l’intérêt du langage binaire utilisé couramment aujourd'hui. Celui-ci est irremplaçable carfacilement manipulable du fait qu'il est basé sur une simple variation de tension électrique. Même sile signal reçu est parasité, il est possible de reconstituer le signal avec peu d'erreurs. Exemple avecle mot « bonjour », transmis par les cristaux liquides sous-alimentés, où malgré des problèmesimportants de réponses, seul un bit est erroné (dépassement des 9 volts pour un 0).

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Remerciements

Nous souhaitons tout d'abord adresser à notre professeur tuteur Mr Bonis nos plus grands remerciements. Il nous a incité à participer au concours des Olympiades de Physique et au cours de cette préparation, il nous a encadré, a suggéré des idées et nous a aidé pendant plus d'une année pour que notre projet aboutisse. Il nous a fait découvrir de la physique que l'on aborde pas au lycée.

Nous remercions aussi ses collèges de l'équipe pédagogique, M Voisin et Mme Denel qui nous ont aidé pour la seconde expérience de chimie : retenter la synthèse des cristaux liquides qui fut ratée lors du premier essai. Ils sont également intervenus dans la préparation à l'oral.

Mme Denel et M Bonis nous ont aussi aidé dans la mise en page et la correction de notre rapport.

Nous remercions aussi le lycée pour le prêt du matériel et la mise à disposition de salles de tp pour mener à bien nos expériences dès que nous avions un créneau de libre.

Pour finir, nous remercions le jury Île-de-France qui nous a permis d'arriver à ce stade et en nous donnant des pistes de travail pour améliorer le projet.

BIBLIOGRAPHIE

La physique par les objets quotidiens (Belin), de Cédric Ray et Jean-Claude Poizat, pour lescristaux liquides (figures).

Panorama de la physique (Belin), articles sur les cristaux liquides et les fibres optiques (multi-auteurs).

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SITOGRAPHIE

INTRODUCTION

http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/209-informations-legales.php

WS INTERACTIVE (consulté le 10/11/2014), Histoire et Techniques de la télécommunication [enligne]

https://www.youtube.com/watch?v=0kjlITYI9Lk

YOUTUBE (consulté le 10/11/2014), Histoire des télécommunications et de la fibre optique [enligne]

SYNTHESE CHIMIQUE

http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=scienceamusante.net:%C3%80_propos

Clovis Darrigan, Anima-Science, « Science amusante » <http://scienceamusante.net>. Consulté le 10/11/2014

http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Fabrication_d%27un_affichage_%C3%A0_cristaux_liquides

Clovis Darrigan, Anima-Science, « Science amusante » <http://scienceamusante.net>. Consulté le 10/11/2014

FONCTIONNEMENT DES CRISTAUX LIQUIDES

https://www.youtube.com/watch?v=Ldf-WPekVyk

Thomas Schwenke, youtube, « fonctionnement d'un affichage à cristaux liquides », consulté le10/11/2014

http://www.prepa-cpe.fr/documents/Les_cristaux_liquides.pdf

Caroline BESSON, Estelle LABOULLE, Cécile LE VAN, TIPE « les cristaux liquides », consultéle 10/11/2014

https://www.youtube.com/watch?v=U-1d9dlCnto

https://www.youtube.com/watch?v=sjQKg-RS704

http://www.larecherche.fr/idees/back-to-basic/cristaux-liquides-01-04-2002-74832

http://informafun.free.fr/fonctionnement.htm

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ANNEXE 1

L'histoire des télécommunications et de la télécommunication optique

La télécommunication s'imposa assez rapidement pour l'Homme. Dès l'Antiquité, on voit apparaître lespremières traces de messages, torches et phares lumineux en Grèce, la fumée chez les Indiens (plus tard dansl'Histoire). Mais ces dispositifs ont des portées limitées à quelques kilomètres. Il faut attendre la fin de laRévolution Française où le télégraphe optique de Chappe relie Paris et Lille. Celui-ci est composé d'une grandetour, visible à plus de dix kilomètres, sur laquelle est fixée une armature métallique. Grâce à un systèmemécanique, nous pouvons former toutes les lettres de l'alphabet.

Puis en 1836-38, les Anglais Edward Davy, William Looke et Charles Wheastone vont inventer et mettre aupoint le télégraphe, grâce à un petit mécanisme qui permet d'envoyer un signal électrique court ou long. SamuelMorse invente l'alphabet Morse qui permet l'utilisation du télégraphe. Le signal peut atteindre jusqu'à 30 km (où ilperd en intensité) c'est pourquoi des relais sont installés tous les 30 km.

En 1858, le premier câble transatlantique est posé, mais il fut endommagé au bout de quelques jours. Remplacé en1866, il fut utilisé pendant une centaine d'années.En 1889, Tesla réalise un générateur à hautes fréquences, 15 kHz, et expérimente la première communication

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radio. Peu de temps avant, Heinrich Rudolf Hertz avait mis en évidence les ondes radio qu'il a nommées les« ondes hertziennes ». En 1890, Branly découvrit la radioconduction. Puis en 1893, le professeur AlexandrePopov découvre le principe de l'antenne pour les liaisons à grandes distances, ce qui permit à Guglielmo Marconide mettre en place les premières liaisons hertziennes à travers les Alpes suisses. Après plusieurs améliorations dumodèle de cette radio, en 1907, l'américain Lee De Forest invente la triode qui permit le départ de l'industrieradio-électronique.

Mais le problème est que les signaux s'affaiblissent avec la distance et que la qualité du signal dépend desconditions météorologiques et de la taille des obstacles naturels.

Avec l'apparition des premiers satellites les liaisons radio ont une plus grande portée, mais le problème resteidentique selon les conditions météorologiques, la réception est plus ou moins bonne.

En 1854 John Tyndall démontra que la lumière peut se propager à travers un tube d'eau grâce à de multiplesréflexions internes, ce qui lui permet d'imaginer qu'un tube de verre pourrait « conduire » la lumière. Hansell créaen 1926 un dispositif de fibre en verre ou en plastique qui permit de transmettre une image.Mais la fibre optique fut d'abord utilisée non pas pour la communication mais pour la médecine. En 1956 Curtissinventa la première fibre optique et en 1957 Hirschowitz l'utilisa comme endoscope sur un patient.

En 1970, les scientifiques de Corning Glass Works développèrent la première fibre optique monomodepouvant être utilisée dans les réseaux de communication. Puis en 1975, le premier système de communicationtéléphonique optique fut testé par les Anglais puis installé aux Etats-Unis. Vers la fin des années 1970, lescompagnies téléphoniques modifièrent leurs infrastructures et installèrent la fibre optique.

Enfin en 1991, Desurvire et Payne démontrèrent l'amplification optique qui permit la création de l'Internethaut débit. Par la suite, les premiers câbles de fibre optique sous-marins furent développés et installés.

Aujourd'hui, les secteurs médicaux, informatiques, militaires, de la télécommunication, de l'industrieutilisent les systèmes de fibre optique pour une large variété d'applications.

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ANNEXE 2Le protocole complet de l'expérience de chimie

Matériel et produits• Ballon de 25 mL monocol • Réfrigérant à boules • Barreau aimanté et agitateur magnétique chauffant • Ensemble de distillation • Erlenmeyer de 100 mL • Filtre en verre fritté n°3 • Système de filtration sous vide

• 4-méthoxybenzaldéhyde (p-anisaldéhyde)

• 4-butylaniline

• Éthanol absolu

• Éther éthylique

• Sulfate de sodium

Mode opératoire

• Réaliser un montage de chauffage à reflux comme illustré ci-contre. • Introduire dans le ballon :

• 4 mL de 4-méthoxybenzaldéhyde

• 5,2 mL de 4-butylaniline

• 4 mL d’éthanol absolu • Chauffer au reflux pendant une heure puis laisser refroidir. • Remplacer le réfrigérant par un ensemble de distillation et distiller tout l’éthanol

(palier de température à environ 78°C). • Laisser refroidir et transvaser le milieu réactionnel dans un erlenmeyer de 100 mL puis

ajouter 40 mL d’éther éthylique . • Sécher la solution sur du sulfate de sodium anhydre pendant environ 1 heure puis filtrer la

solution. • Évaporer l’éther sous vide jusqu’à obtention d’une solution trouble à température ambiante.

Résultats et discussion• Lors de cette synthèse, il est préférable de distiller préalablement la 4-butylaniline et le 4-

méthoxybenzaldéhyde en raison de la présence d’impuretés dans les produits commerciaux. • La synthèse du MBBA fait intervenir la formation d’une imine par réaction entre un

aldéhyde et une aniline.

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• Le composé obtenu, en raison de la double conjugaison par les cycles aromatiques de part etd’autre de l’imine, possède une bonne stabilité vis-à-vis de l’eau.

• La réaction se déroule comme suit : la 4-butylaniline attaque le 4-méthoxybenzaldéhydepour donner un intermédiaire zwittérionique 7 qui subit une prototropie pour donner 8. Cecomposé va se protonner et l’élimination d’eau conduit à 10. L’élimination d’un protonpermet de former l’imine 11 :

L’éthanol est un bon solvant permettant de dissoudre toutes les espèces en présence. Dès le mélangedes réactifs, le milieu réactionnel se colore en jaune, indiquant le déroulement d’une réaction.•La distillation de l’éthanol en fin de manipulation permet d’éliminer l’eau contenue dans le milieu.En effet, lors de la réaction, de l’eau est produite, capable d’hydrolyser l’imine formée pourredonner l’aldéhyde. L’éthanol formant un azéotrope avec l’eau, sa distillation permet d’éliminertoute l’eau formée et donc de déplacer définitivement les différents équilibres vers la formation del’imine. En fin de distillation, le milieu se présente sous la forme d’un liquide trouble, le cristalliquide (MBBA).

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ANNEXE 3

Photos de l'expérience (1) de fabrication du verreconducteur

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ANNEXE 4

Photos de l'expérience 1 de synthèse des cristauxliquides

Photo de la solution distillée à l'instant t=0 Photo de la solution quelques temps après de l'arrêt de la distillation l'arrêt de la distillation

Photo de la solution à l'instant final

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ANNEXE 5

Documents de l'expérience 2 de synthèse des cristauxliquides

Cristaux avant et après purification à l'éther

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ANNEXE 6

PROGRAMMATION

• EMISSION

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• RECEPTION

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