Concept de champs

Le champ électrique est généré par la présence des charges électriques. Prenons l’exemple du ballon chargé d’électricité statique que nos lecteurs attentifs ont découvert dans les « Notions d’électricité »:

L’intensité du champ électrique dépend de la différence de potentiel entre les zones chargées ainsi que de la distance qui les séparent. Une approximation du champ électrique entre deux surfaces planes est donnée par la formule suivante (si le champ est uniforme dans l’espace):

Il existe un champ électrique naturel à la surface de la terre. Il est créé par la différence de potentiel entre la haute atmosphère (l’ionosphère, chargée positivement) et la terre (chargée négativement).

Des charges électriques de la terre quittent en permanence le sol vers l’atmosphère. Les milliers d’orages qui éclatent chaque jour aux quatre coins de notre planète assurent, via la foudre (*), le retour de ces charges vers le sol afin de maintenir un équilibre global et permettre la vie sur la terre.

La foudre est préférentiellement attirée par des objets élevés et/ou de forme pointue car le champ électrique (et donc la force exercée sur les charges) y est alors plus intense : c’est l’effet de pointe.

Au niveau des pointes conductrices, les charges électriques sont concentrées sur une plus petite surface. Les forces électriques y sont donc très intenses. Le champ électrique élevé qui en découle, entraîne une ionisation de l’air et rend ce dernier meilleur conducteur de l’électricité.

Par exemple, un objet pointu comme un paratonnerre n’attire pas la foudre au sens strict, mais il rend plus probable par temps d’orage, grâce à l’effet de pointe, la formation d’effluves lumineuses visibles dans l’obscurité (ex: feux de Saint Elme à l’extrémité des mats des bateaux).

L’effet de pointe est à l’origine de l’effet couronne, un terme qui désigne la présence de décharges partielles autour des conducteurs d’une ligne aérienne, sous certaines conditions.

La présence de petites saillies à la surface des conducteurs, comme par exemple les gouttes d’eau, les flocons de neige ou encore des insectes, produisent de fortes augmentations du champ électrique. L’effet couronne varie donc nettement en fonction des conditions extérieures et atmosphériques
(Source: site du service Transport et Distribution de l’énergie électrique de l’Université de Liège).

Si nos yeux étaient capables de visualiser les champs électrique et magnétique, voici ce que nous verrions en regardant une lampe de poche éteinte et un grille-pain : uniquement un champ électrique continu au niveau de la lampe de poche et alternatif à 50 Hz au niveau du grille-pain.

Les zones les plus sombres indiquent des champs d’intensité plus élevée.

Il existe également un champ magnétique autour de la terre. Nous le détectons en observant l’orientation de l’aiguille d’une boussole. Son origine la plus probable serait les mouvements du magma en fusion dans le noyau terrestre.

Le champ magnétique terrestre joue un rôle primordial dans la protection de notre planète en déviant les particules des rayonnements cosmiques et du vent solaire. Cette protection se situe dans la magnétosphère (couche de l’atmosphère au-dessus de l’ionosphère, à plus de 1000 km de la terre). Les aurores boréales (au pôle nord) et australes (au pôle sud) se forment lors de la rencontre entre les particules et la magnétosphère.

Le champ magnétique est généré par le déplacement des charges. Ce déplacement prend des formes différentes selon les matériaux et leur usage:

Le nord magnétique est défini comme étant l’endroit où les lignes du champ magnétique sont perpendiculaires à la terre. Le nord géographique est, quant à lui, défini par l’axe de rotation de la terre. L’axe du champ magnétique n’étant pas aligné sur l’axe de rotation de la terre, il en résulte que le nord géographique est actuellement éloigné d’environ 1000 km du nord magnétique.

La direction des lignes du champ magnétique dépend de la configuration de la source de champ magnétique. Prenons deux exemples:

1. Autour d’un fil parcouru par un courant, les lignes de champ magnétique sont circulaires.

2. Dans un bobinage parcouru par un courant, les lignes de champ magnétique ressemblent à celles autour d’un aimant.

Le bobinage acquiert un pôle Nord du côté où les lignes sortent et un pôle Sud du côté où elles entrent.

Le champ magnétique en un point P dépend de l’intensité du courant et de la distance avec le conducteur.  Il est noté H et est exprimé en ampère/mètre (A/m).

Le sens des lignes de champ magnétique est obtenu grâce à la règle de la main droite : si on oriente le pouce de la main droite dans la direction du sens conventionnel du courant (du + vers le -), le sens de flexion des doigts indique la direction du champ magnétique.

Le champ magnétique H (en A/m) est souvent exprimé par l’induction magnétique B (en tesla, T). Le champ magnétique H et l’induction magnétique B sont reliés, dans un matériau donné, par la relation:

La perméabilité magnétique d’un matériau est la faculté que possède ce matériau à concentrer les lignes de flux magnétique et donc à augmenter la valeur de l’induction magnétique. La valeur de l’induction magnétique dépend donc du milieu dans laquelle elle est produite (cf. glossaire du site à la rubrique « Perméabilité magnétique »).

La perméabilité magnétique de l’air est de 4 π .10^-7 H/m.

Il en découle que, dans l’air, un champ H de 1 A/m est associé à un champ B de 1,26 µT.

Remarque :

• L’ancienne mesure de l’induction magnétique, le gauss (G), est encore régulièrement employée dans certains pays. La conversion est la suivante : 10^-4 T = 1 G ou, pour se rapprocher des valeurs d’induction magnétique qu’on trouve dans notre environnement électrique 50/60 Hz : 0,1 µT = 1 mG.
• Dans la suite, nous parlerons souvent de B qui sera nommé « champ magnétique » et exprimé en μT.

Si nos yeux étaient capables de visualiser les champs électrique et magnétique, voici ce que nous verrions en regardant une lampe de poche et un grille-pain en fonctionnement : des champs électrique et magnétique continus au niveau de la lampe de poche et alternatifs à 50 Hz au niveau du grille-pain.

Les zones les plus sombres indiquent des champs d’intensité plus élevée.

L’intensité des champs électrique et magnétique diminue rapidement lorsqu’on s’écarte de la source.

En fonction de la source, la diminution sera plus ou moins rapide :

• Aux alentours d’un câble électrique (par exemple un câble d’une ligne à haute tension), l’intensité du champ est inversement proportionnel à la distance (notation 1/r).
• Aux alentours du câble électrique d’un appareil électroménager, (conducteurs « aller-retour »), l’intensité du champ diminue avec le carré de la distance (1/r²) et
• près d’un bobine, comme par exemple dans un four à induction industriel, avec le cube de la distance (1/r³).

Les réveils électriques, les lampes de chevet et la plupart des appareils électriques domestiques peuvent être considérés comme des sources à partir desquelles l’intensité du champ magnétique diminue selon 1/r². Concrètement, cela signifie que quand la distance double, l’intensité du champ diminue d’un facteur 4. Par exemple, si l’intensité du champ magnétique vaut 1 microTesla à 30 cm d’un réveil radio, l’intensité sera de 0,25 µT à 60 cm, 0,0625 à 120 cm, etc.

De plus amples informations sur les valeurs de champs électrique et magnétique sont disponibles dans le module « Champs dans notre environnement”.

Exemple d’un cordon électrique alimentant une lampe de 100 watts alimentée en 230V:

1. Si on mesure la tension (voltmètre) entre les deux câbles composant le cordon électrique, on a environ 230V (valeur efficace, 50Hz sinusoïdal)

2. Si la lampe est allumée, on mesure (ampèremètre) un courant qui circule dans les deux câbles (valeur identique, mais le sens du courant est opposé) de:

P (en W) = V (en V). I (en A)

100 = 230 . I
alors I = 0,435 A (valeur efficace, 50 Hz sinusoidal)

3. Calcul du champ magnétique à proximité du cordon électrique:

• Champ créé par un câble « seul » (valeur efficace, 50Hz sinusoïdal):

environ 0,8 µT à 10 cm

•  Champ créé par les deux câbles ensemble (Conducteurs « aller-retour »):

environ 0,017 µT à 10 cm, soit 47 fois moins que dans la situation fictive d’un câble seul.

Nous pouvons établir les valeurs de champ magnétique en fonction de l’écartement par rapport aux câbles:

Les valeurs de champ magnétique varient avec l’inverse du carré de la distance (1/r²) comme montré plus haut. Il faudrait donc une charge consommant plus de 10 A pour avoir un champ B supérieur à 0,4 µT à 10 cm des câbles et cette valeur serait diminuée d’un facteur 10 (donc 0,04 µT) à 31 cm des câbles.

Il existe différents appareils de mesure disponibles sur le marché qui permettent de mesurer les champs électrique et magnétique:

• La mesure du champ électrique nécessite de prendre certaines précautions, car il est influencé par les objets aux alentours et également par la présence de la personne qui prend les mesures. Il s’agit donc de se placer à l’écart des objets et des personnes, à l’aide d’une perche isolée par exemple.
• La mesure du champ d’induction magnétique (B) alternatif (ici 50 Hz) se fait avec trois bobines orthogonales. La mesure de la tension induite dans les trois bobines donne les trois composantes (x, y, z) du champ.

Le champ magnétique à très faible fréquence n’étant pas déformé par la présence d’objets ou de personnes, sa mesure nécessite moins de précautions que celle du champ électrique. Il peut aisément être mesuré par des dosimètres portés à la ceinture pour des mesures sur de plus longues périodes de temps.

Jusqu’ici, nous avons parlé des champs statiques (aimants) et des champs variables à 50 Hz, générés par le réseau électrique. Parmi les champs variables, les champs à 50 Hz ne constituent qu’une infime partie du spectre des ondes électromagnétiques : la lumière visible fait également partie de ce spectre, au même titre que les ondes radio ou les rayons X.

Les rayons gamma et les rayons cosmiques sont les rayons qui transportent le plus d’énergie.

Le niveau d’exposition aux rayonnements cosmiques augmentant avec l’altitude (protection moindre de l’atmosphère), nous y sommes plus exposés dans les avions de ligne.

Le spectre électromagnétique s’étend sur une très large gamme de fréquences (en Hz) et de longueurs d’onde (en m).

La fréquence est le nombre de cycles qui se produisent durant une seconde. L’unité de la fréquence est le Hertz (Hz). Le courant alternatif qui alimente nos appareils électriques a une fréquence de 50 Hz. Les champs qui en découlent ont également une fréquence de 50 Hz.

La longueur d’onde est la distance entre deux cycles consécutifs de l’onde.

La fréquence et la longueur d’onde dépendent l’une de l’autre : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte. En effet, les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière dans l’air, le vide et les gaz, c’est à dire à une vitesse d’environ 300 000 000 m/s.

Donc, à une fréquence de 50 Hz par exemple, l’onde parcourt une distance de 6000 km en une seconde.

Les ondes se différencient également par leur forme.  Ci-dessus, nous avons représenté des ondes de forme sinusoïdale (*), mais il existe également des formes carrées, pulsées .

Les ondes électromagnétiques sont une forme d’énergie. La quantité d’énergie contenue dans une onde dépend de la fréquence et de la longueur d’onde. Les rayonnements dont la fréquence est:

1. supérieure à 10¹⁵ Hz ont une énergie suffisante pour casser les liaisons chimiques et ioniser les molécules. Ce sont les rayonnements ionisants : il s’agit des rayons cosmiques, des rayons gamma et des rayons X.
Dans le corps humain, l’énergie d’ionisation de l’eau est de 12 à 35 eV (électron-volt). Pour qu’un rayonnement possède une telle énergie, la fréquence doit être supérieure à 3.10¹⁵ Hz, c’est à dire environ la fréquence des UV.

Source: ISSep, 2001

2. inférieure à 10¹⁵ Hz n’ont pas l’énergie suffisante pour briser les liaisons chimiques. Ce sont les rayonnements non ionisants : il s’agit des rayons UV, de la lumière visible, des radiofréquences et des basses et extrêmement basses fréquences. Les rayons UV sont situés à la frontière de l’ionisation.

Remarque : De l’énergie, les rayonnements non-ionisants en possèdent malgré tout : c’est par exemple cette énergie qui est responsable des coups de soleil, qui réchauffe les aliments dans les fours à microondes …

Différents mécanismes permettent de produire des rayonnement de différentes fréquences.
Pour des informations complémentaires, voir « Origines des ondes électromagnétiques« .

Au début de ce module, nous avons présenté isolément le champ électrique et le champ magnétique. Par la suite, nous avons parlé du spectre des ondes électromagnétiques. Pourquoi ?

En fait, les champs variables sont, à distance suffisante de la source, des ondes qui se propagent à la vitesse de la lumière. Les émetteurs de ces ondes, selon leur géométrie et leur mode de fonctionnement, produisent à leur sortie un champ principalement magnétique ou principalement électrique; seul un champ statique restera purement électrique ou purement magnétique. On dit alors qu’il s’agit d’un champ électrique ou magnétique proche. Il n’y a pas de propagation à proprement parler.

Avec la distance, ce champ évolue : le champ complémentaire va prendre naissance et croître progressivement par rapport au champ d’origine, de sorte qu’à « grande » distance de l’émetteur (*), l’onde du champ électrique et l’onde du champ magnétique se propagent perpendiculairement entre elles et à la direction de propagation. On parle alors d’onde ou de champs électromagnétiques lointains.

Remarque: En pratique, à 50 Hz, on peut donc généralement postuler qu’on est en « champ proche » et nous pouvons considérer les champs électrique et magnétique séparément.

Un rayonnement électromagnétique peut être produit par différents mécanismes :

• Un premier mécanisme implique la transition d’électrons au départ d’un état d’énergie donnée vers un état d’énergie inférieure. La différence énergétique est convertie en énergie lumineuse. Ces transitions peuvent se produire au sein des atomes, des molécules ou des solides.
  Ainsi par exemple, dans un tube fluorescent, la lumière est produite par des transitions électroniques au sein des atomes du gaz remplissant le tube (en réalité, elle est initialement produite sous forme d’UV et est réémise dans le visible par le matériau phosphorescent tapissant le tube). Dans une diode électroluminescente à semi-conducteur (diode LED), la lumière est produite par des transitions entre les états électroniques du matériau semiconducteur (essentiellement entre les bandes de conduction et de valence).
• Un deuxième mécanisme est l’accélération (ou la décélération) de particules chargées. Ce mécanisme est à la base du fonctionnement d’un émetteur radio ou wifi : l’antenne est parcourue par un courant variable dans le temps, ce qui revient à imprimer une accélération variable dans le temps aux charges qui transportent ce courant.
• Enfin, des ondes électromagnétiques de très haute énergie (incluant le rayonnement gamma) peuvent être produites par des transitions énergétiques au sein des noyaux, par des interactions entre particules subatomiques, ou encore par l’annihilation entre la matière et l’antimatière. On observe des telles ondes dans les collisionneurs à haute énergie (par exemple au CERN à Genève), dans le soleil, ou encore dans l’espace lointain.

L’orage est associé à un nuage particulier : le cumulo-nimbus, dont la partie supérieure culmine à environ 12 000 mètres de la surface de la terre. Les charges négatives s’accumulent dans la partie basse des cumulo-nimbus, alors que les charges positives se regroupent dans sa partie haute (*).

La présence des charges négatives à la base des nuages engendre, par influence, une accumulation de charges positives au sol. Entre la base du nuage d’orage et le sol, le champ électrique s’inverse et s’intensifie.

Le phénomène de la foudre est favorisé par le champ électrique très élevé. Ce phénomène se forme en 3 étapes : (1) création d’un canal ionisé par un traceur descendant (petites décharges qui avancent par bonds successifs d’une dizaine de mètre) à partir de la base du nuage, (2) lorsque ce traceur est suffisamment proche des charges positives, un traceur ascendant se développe, (3) les deux traceurs se rejoignent, créant un canal conducteur entre la terre et le nuage. Un courant électrique parcourt le canal, produisant la décharge majeure : le coup de foudre.