Constatant que très peu de personnes connaissent le fonctionnement du ticket de métro, objet utilisé pour beaucoup tous les jours, nous avons jugé important de chercher à comprendre un peu mieux le fonctionnement de ce petit objet qui rythme le quotidien de beaucoup d'entre nous. C'est donc dans le cadre de notre TPE de 1ère S que nous avons fait nos recherches. Mais, quitte à passer du temps sur un sujet, autant que cela profite à un maximum de personnes ! Pour cela , ce blog nous à paru être une bonne solution pour partager avec de nombreux internautes nos connaissances mais aussi réaliser le travail qui nous était demandé. De plus, le sujet de la bande magnétique du ticket de métro étant un sujet très peu traité sur le net pourquoi ne pas apporter sa pierre à l'édifice? Alors si vous aussi, vous avez des questions ou suggestion, n'hésitez pas à nous en faire part, nous tenterons d'y répondre le mieux possible.
Rappelons tout d'abord la question de cet internaute :"Serait-il possible a l'aide d'une bobine ou d'un aimant bipolaire de créer un ticket "magique" qui pourrait fonctionner une seconde fois et encore mieux serait-il possible par un quelconque moyen de rendre un ticket no-limit ?"
Oui, bien sûr, c'est toujours possible de créer soi-même un ticket de métro, mais cela nécessite deux conditions qui compliquent énormément la chose : - Tu dois connaître parfaitement le code d'un ticket valide pour pouvoir le reproduire (codage binaire, codage F/2F, etc) - Tu dois posséder le matériel adéquat (mini bobine, entrefer, etc) qui ne se trouve pas dans le commerce
Pour commencer nous allons vous présenter un objet que vous utilisez tous les jours sans même y prêter attention : le ticket de métro. Il se vend à 10 millions d'exemplaires par semaine, ce qui fait plus de 500 millions par an, un nombre tout de même important.
Ce petit bout de carton pèse environ 0,5 grammes, et mesure 30 millimètres de large sur 66 millimètres de large. Il a une épaisseur d'environ 0,27 millimètres.
Le ticket de métro parisien existe depuis l'ouverture de la première ligne de métro parisienne dans les années 1900. Cependant, sa forme n'a pas toujours été la même ( carton, plastique, papier) et son prix a lui aussi beaucoup évolué. Il fut un temps ou la vérification de la validité du ticket de métro était réalisé par des contrôleurs qui poinçonnaient les tickets pour marquer leur utilisation. Mais le ticket de métro tel qu'il nous intéresse (avec sa bande magnétique ) existe depuis le milieu des années 1960. A cette période, la ville de Montréal a posé sa candidature aux Jeux Olympiques de 1966. Elle a donc souhaité se doter d'un métro moderne. La CGA (Compagnie Générale d'Automatisme) se porta candidate pour réaliser la « billetterie » de ce métro. Grâce à l'imagination de Jacques Thilliez, la CGA envisageât le dépôt d'une couche pouvant être magnétisée sur un support en papier afin de créer une sorte de ticket qui porterait, enregistrées, les informations permettant de commander l'ouverture des barrières sur le quai. Le métro de Montréal fut inauguré officiellement en octobre 1966. A Paris, le ticket à bande magnétique apparut en septembre 1968. Il était alors jaune et marron.
Aujourd'hui, le ticket semble menacé par l'utilisation d'autres supports comme le pass navigo. Néanmoins, il reste un objet important de la vie de nombreux français et il fait aussi partit des symboles mondialement connus de Paris. Pour ces raisons nous pensons qu'il est intéressant de se pencher un moment sur cet objet qu'on a tendance à utiliser en ignorant le fonctionnement.
Vous vous doutez tous que les informations du ticket de métro sont codées sur la bande magnétique (cette bande foncée qui traverse le ticket dans sa longueur, à son dos). Celle-ci est en réalité une fine couche d'encre magnétique. On peut alors se demander quelles sont ses caractéristiques de cette encre et pourquoi l'utilise-t-on ?
1) Propriétés et composition
Tout d'abord cette encre a les mêmes propriétés qu'une encre d'impression classique : elle est non toxique, peu inflammable, et a une longue durée de vie.
Elle est composée de particules d'oxydes de fer. Celui-ci, aussi appelé maghémite (oxyde ferrique Fe2O3) est un pigment magnétique qui se présente sous forme de microscopiques aiguilles (environ 500 fois plus fines qu'un cheveu). Leur taille exacte est de un micron (correspond à un millième de millimètre), on peut donc à peine les discerner avec les plus puissants microscopes optiques.
Les particules d'oxyde de fer sont des matériaux ferromagnétiques (dont nous parlerons plus tard) qui vont permettre de stocker les informations. Elles se trouvent dans un milieu composé de polymères (qui vont permettre la flexibilité et la résistance de l'encre) de solvants (qui s'occupent de disperser uniformément les particules).
L'encre magnétique est utilisée pour stocker les informations sur le ticket de métro car elle est peu chère et elle possède une facilité d'application et de stockage.
2) Application sur le ticket
La couche magnétique du ticket de métro est appliquée uniformément sur le carton. Une couche de protection est ajoutée pour ralentir l'abrasion (usure par l'action du frottement) de l'enduit.
Sachez que la bande magnétique est imprimée sur un long rouleau de papier. Lorsque vous achetez le ticket, la machine se contente de couper une partie de cette bande, d'y imprimer à l'encre classique les informations visibles sur la face du ticket, et de coder la bande magnétique.
Les informations sont codées sur la bande magnétique grâce à une mise en contact avec un champ magnétique. Il est donc nécessaire d'avoir quelques notions sur le magnétisme.
Un aimant (appelé aussi aimant rémanent) est un objet de matériau magnétique qui possède un pôle nord et un pôle sud : c'est un dipôle. Lorsque l'on met en présence deux aimants, ils vont s'attirer d'une manière précise : leurs pôles opposés s'attirent (Sud et Nord) tandis que leurs pôles semblables (Nord et Nord, Sud et Sud) se repoussent.
Cette force qui leur permet de s'attirer ou de se repousser est appelée magnétisme ou force magnétique.
1) Différentes sortes de magnétisme
Il existe plusieurs types de magnétisme, selon les matériaux mis en présence d'un aimant : - le diamagnétisme, qui a toujours lieu, mais le plus souvent de si petite ampleur que l'on ne le remarque pas : le matériau est repoussé par l'aimant. - le paramagnétisme : le matériau va acquérir en présence de l'aimant des propriétés magnétiques (il va devenir une sorte de gros aimant) et va donc être attiré par l'aimant. Mais dès que le matériau n'est plus en présence de l'aimant, il n'est plus soumis à un champ magnétique et il perd toute sa propriété d'aimant. - le ferromagnétisme, qui a lieu lorsque le matériau se trouve être du fer, du nickel, du cobalt ou certains oxydes comme la magnétite (ils sont appelés matériaux magnétiques durs) : le matériau va s'aimanter et être attiré par l'aimant, et gardera son aimantation après même que l'on ait éloigné l'aimant. C'est ce qu'il va se passer dans la bande magnétique du ticket de métro.
2) Les particules ferromagnétiques
Les particules d'oxyde de fer utilisés dans la bande magnétique du ticket de métro sont ferromagnétiques. Une particule ferromagnétique est capable d'être orientée par un champ magnétique extérieur et surtout de conserver cette information, de la stocker, après que le champ extérieur ait disparu. On caractérise les matériaux utilisés pour l'enregistrement magnétique par leur courbe d'aimantation, c'est à dire l'évolution de leur aimantation M en fonction du champ extérieur appliqué H.
On considère des particules ferromagnétiques non aimantées au départ (position a).
Au fur et à mesure que l'intensité du champ magnétique extérieur H augmente, l'aimantation M des particules augmente également puis finit par atteindre la saturation (position b). La courbe entre les points a et b s'appelle "courbe de première aimantation". Ensuite, si l'on diminue l'intensité du champ magnétique extérieur, l'aimantation du matériau diminue elle aussi, mais ne suit pas la courbe b-a : il n'y a pas réversibilité.
Lorsque l'intensité du champ appliqué est nulle (position c) les particules conservent tout de même une certaine aimantation : leur aimantation rémanente Mr, c'est le paramètre qui caractérise l'aptitude du matériau à stocker une information magnétique : si cette aimantation rémanente était nulle, cela signifierait que le matériau se comporte de la même manière que l'on ait appliqué un champ ou non, c'est à dire que ce matériau n'a aucune capacité de mémoire et ne peut donc servir pour l'enregistrement magnétique. Un matériau ferromagnétique a donc forcément une aimantation rémanente non nulle. C'est grâce à cette position rémanente que les informations restent codées sur la bande magnétiques pendant plusieurs mois.
Si on applique maintenant un champ magnétique de sens opposé et d'intensité de plus en plus grande, on arrive (au point d) à ce que les particules soient complètement désaimantées. Si on continue à augmenter l'intensité du champ, le matériau va finir par être totalement aimanté (position e). On a un état semblable à l'état en b mais c'est un champ de sens contraire qui les a orientés : les particules sont donc orientées dans un sens contraire.
Si on diminue l'intensité du champ, le matériau se désaimante peu à peu mais on ne revient pas sur nos pas : à nouveau non-réversibilité.
Le cycle ainsi parcouru par l'aimantation du matériau en fonction du champ magnétique extérieur appliqué se nomme cycle d'hystérésis.
3) L'électro-aimantation
On aimante donc un matériau en le soumettant à un champ magnétique. La plus simple façon d'en créer est de faire passer du courant dans un fil conducteur. En effet, un champ magnétique est alors engendré dans un plan perpendiculaire au passage du courant. L'orientation de ce champ suit le sens du courant.
Pour un champ magnétique plus puissant, on forme avec le fil conducteur une bobine. Les champs magnétiques des spires de la bobine s'additionnent en un champ magnétique uniforme au sein de la bobine, selon la formule suivante :
Cette technique d'utiliser l'électricité pour créer un champ magnétique et aimanter un matériau est appelée l'électro-aimantation.
Les informations sont figées sur la bande à l'aide de variations magnétiques, sous forme de code qui sera ensuite retranscrit lors de la lecture par la machine.
1) Le codage
a) Du codage binaire
On a recours à un enregistrement numérique (ou digital), qui décrit le signal à l'aide du code binaire. Ce code binaire n'est constitué que de 0 et de 1, ce qui constitue un intérêt majeur car toute l'information peut être alors codée au moyen de deux symboles uniquement.
Une petite conversion décimal-binaire :
Sur la bande magnétique du ticket de métro, le jour est codé dans l'année, et non pas dans le mois. Ainsi par exemple le 2 février sera codé en "33". Ce nombre, "33", sera inscrit sur la bande magnétique en codage binaire, en 0 et 1.
Calculons donc quel sera son code :
Il s'agit de faire une suite de divisions euclidiennes par 2. Le résultat sera la juxtaposition des restes, en partant des derniers vers les premiers. Ici, l'écriture binaire de "33" est donc 100001. Un ticket passé dans une borne le 2 février comportera donc "100001" à l'emplacement de la date sur sa bande magnétique.
b) Le codage F/2F
La façon la plus simple qui a été trouvée pour coder le tout ou rien (les 0 et 1) sur un support magnétique s'appelle la magnétisation. Ce principe consiste à faire passer un courant d'intensité fixe tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre sur la bande magnétique. L'intensité du courant doit être donc suffisante pour faire "basculer " les atomes de fer d'un coté ou d'un autre. Ainsi, chaque inversion de sens sur une partie de la bande magnétique (un bit) détermine une inversion de flux. On aura donc sur la bande magnétique deux bits de flux d'orientation diamétralement opposés. A la lecture ceux ci seront traduits en tout ou rien, soit en une suite de 1 et de 0 de la manière suivante:
Cependant cette méthode pose un problème majeur : A la relecture, la machine n'est capable de reconnaitre que les inversions de flux. Si par exemple deux 0 sont disposés a la suite sur la bande magnétique, il auront leurs flux orientés dans le même sens et seul le premier 0 sera décodé à la relecture. Pour réaliser la lecture, une horloge interne à la machine qui relit le ticket et donc nécessaire afin de délimiter les bits. Ainsi, pour ne perdre aucune information, deux contraintes se posent : - L'horloge doit être réglée de la même manière sur toutes les machines de codage et de lecture de France . - L'horloge doit se déclencher exactement au moment du début de la lecture du ticket.
Vous l'aurez deviné, l'utilisation d'une horloge pour la lecture du ticket impose une rigueur telle qu'elle en devient presque impossible. Ainsi le codage F/2F a été créé.
Pour ce codage chaque bit occupe la même longueur sur la piste mais c'est le nombre d'inversions de flux par bit qui détermine si un 1 ou un 0 est codé.
Comme l'indique le nom F/2F deux inversions de flux par bit équivalent à un 1 et une inversion de flux par bit à un 0. Grâce à ce système on peut dire que l'horloge est "interne" au codage du ticket. En effet un changement de flux vient se placer régulièrement entre chaque bit pour faciliter leur démarcation. La seule différence observable entre un 1 ou un 0 est qu'une deuxième inversion de flux vient se glisser entre les deux autres lorsqu'il s'agit d'un 1. S'il n'y a pas d'inversion de flux entre les deux régulières il s'agit d'un 0. Les tickets de métro sont ainsi lisibles par toutes les machines de France sans souci de réglage d'horloge et donc sans risque de perte d'information.
2) Expérience
Nous avons donc réalisé une expérience pour mettre en valeur les inversions de flux.
Nous savons donc que les informations sont codées au moyen d'inversions de flux. Nous allons maintenant voir comment la machine va les incruster sur la bande magnétique.
La bande magnétique contient des particules d'oxyde de fer. Elle va passer devant une tête d'enregistrement magnétique, qui va aimanter ces particules sur une zone donnée dans un sens, ou l'autre (qui déterminera le 0 ou le 1).
Cette tête d'enregistrement magnétique est en réalité un électroaimant. Constituée d'un anneau en fer non fermé autour duquel est enroulé un fil conducteur en forme de bobine, on envoie du courant dans cette bobine. Lorsqu'un courant est envoyé dans une bobine, un champ magnétique se forme à l'intérieur de celle-ci. Ce champ va être canalisé par l'anneau de fer et les lignes de champ vont s'échapper au niveau de l'ouverture de l'anneau, appelé entrefer. Une zone de la bande magnétique va dont être soumise à un champ magnétique passant devant l'entrefer : les particules d'oxyde de fer vont s'aimanter, et s'aligner dans le même sens selon leurs pôles.
Les 0 et les 1 étant codés au moyen d'inversions de flux, il suffit juste d'envoyer du courant dans un sens ou l'autre de la bobine, inversant le champ magnétique, et aimantant les particules de fer dans un sens opposé.
Comment la bande magnétique est elle lue une fois le ticket dans la machine ?
Lorsque le ticket est inséré dans la machine, il passe devant un détecteur dit de Hall. Ce détecteur permet de créer un courant électrique s'il est soumis a un champ magnétique.
Le détecteur est composé d'une tête d'enregistrement magnétique de même sorte que pour le codage. Lorsque la bande magnétique passe devant la tête, les particules aimantées, situées en face, vont générer un courant qui passera dans la bobine dans un sens ou l'autre, en fonction des inversions de flux enregistrées sur la bande.
La machine va donc recevoir des courants orientés différemment. Elle va pouvoir les décoder car le ticket passe a une vitesse donnée régulière devant la tête. Ainsi, d'après le principe du codage F/2F, la machine va pouvoir lire les "0" et "1" en comptant le nombre d'inversions de flux sur un temps donné.Cette opération est très rapide puisque le ticket ne reste que 2 secondes dans la machine, qui doit le lire et le recoder par la suite.
Après la lecture de la bande magnétique, la machine va recoder sur la bande de nouvelles informations. Pour cela, elle va devoir "écraser" les informations qui s'y trouvent déjà, c'est à dire, ramener l'aimantation des particules d'oxyde de fer à zéro.
Pour désaimanter les particules, il faut appliquer un champ magnétique de sens opposé d'une certaine valeur (point d). Le champ Hc qu'il aura fallu appliquer pour faire perdre son information magnétique aux particules de fer est appelé champ coercitif. Une grande valeur de champ coercitif caractérise un matériau apte à conserver l'information malgré des champs magnétiques extérieurs perturbateurs toujours présents (champ magnétique terrestre, proximité d'un autre matériau aimanté comme un téléphone portable, etc...). Ce paramètre est, tout comme le moment rémanent, d'une grande importance pour l'enregistrement magnétique, car il caractérise aussi le matériau. On dit d'un matériau ayant un fort champ coercitif (on dit aussi une forte coercitivité)qu'il est magnétiquement "dur". A l'inverse un matériau ayant un champ coercitif faible est dit magnétiquement "doux".
L'oxyde de fer Fe2O3 utilisé dans la bande magnétique est un matériau magnétiquement dur. Pour recoder de nouvelles informations, on va donc soumettre aux particules d'oxyde de fer un champ magnétique opposé, ramenant l'aimantation à zéro, puis on va recoder les nouvelles informations comme à l'origine du ticket (voir III, Le codage).
Vous est-il déjà arrivé que votre ticket de métro que vous n'avez jamais utilisé auparavant apparaisse comme non valide au moment du passage dans la borne pour prendre le métro?
Nous allons donc vous expliquer pourquoi ce phénomène à lieu afin que vous puissiez l'éviter à l'avenir.
Tout d'abord, sachez que si votre ticket apparait comme non valide (alors qu'il ne le devrait pas) c'est en fait parce que sa bande magnétique à été démagnétisée. En effet, lorsque vous transportez vos tickets de métro dans une poche où se trouvent des clés, cartes bancaires ou téléphone portable , vos tickets sont mis en contact avec le champ magnétique dégagé par ses objets. Le phénomène qui arrive est donc le même que celui du codage de la bande magnétique. Si le champ magnétique dégagé par vos clés étant suffisamment élevé, les particules d'oxydes de fer présentes sur le ticket de métro vont s'orienter différemment puisqu'elles vont être soumises à un champ magnétique externe. L'information codée au départ va donc être modifiée et le ticket de métro ne sera plus valide.
Afin de réaliser ce projet, nous nous sommes aidées de diverses sources :
- Le livre Cartes Magnétiques et PC de Patrick Gueulle - Le site "Petite histoire du ticket de métro parisien" - Le site "Le ticket de métro et ses encres magnétiques" - Le site scientifique de la Semaine de la Science de Strasbourg, partie Magnétisme
