EXPLICATION SUR LES CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES
III. Explication sur les champs électromagnétiques


A. CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES ET APPAREILS ÉLECTRIQUES
B. CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES ET CORPS HUMAIN
C. CHAMP ÉLECTRIQUE ET CHAMP MAGNÉTIQUE
D. CHAMP ÉLECTRIQUE
1. Qu'est ce qu'un champ électrique.
2. Unité et mesure du champ électrique
3. Quelques valeurs de champ électrique
4. Diminution du champ électrique en fonction de la distance (en V/m)
5. Valeurs de nocivité liées au champ électrique
6. Protection à l'encontre des champs électriques.
E. CHAMP MAGNÉTIQUE
1. Influence du courant (comparaison avec système hydraulique)
2. Unités et mesures du champ magnétique
3. Quelques valeurs de champ magnétique
4. Diminution du champ magnétique en fonction de la distance (en mG)
5. Valeurs de nocivités liées au champ magnétique
6. Protection à l'encontre des champs magnétiques
F. INFLUENCE DE LA DIMINUTION OU DE L'AUGMENTATION DE LA TENSION SUR LE CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE > G. PRODUCTION ET DISTRIBUTION D'ÉLECTRICITÉ
1. Fréquences de travail



A. CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES ET APPAREILS ÉLECTRIQUES

Le champ électromagnétique est en quelque sorte un nuage invisible qui rayonne autour de tout appareil électrique branché. Si on place un objet métallique dans le champ, il sera influencé par ce champ (une tension et un courant prendront naissance aux extrémités de cet objet). Le champ électromagnétique diminuera avec l'éloignement mais d'autant plus lentement que l'appareil électrique sera grand (une ligne à haute tension sera nocive jusqu'à plus de 200 m alors qu'une micro-onde qui dégage plus ou moins le même champ électromagnétique ne sera plus nocif à 1 m).

Exemple : Champs électromagnétiques émis par un percolateur.
Le premier schéma représente les champs électromagnétiques (champ électrique et champ magnétique) émis par le percolateur. Le champ électrique sera attiré par le plafond et le sol (le sol et le plafond sont à la masse, c-à-d à 0 volt) tandis que le champ magnétique tournera autour de l'appareil. Le deuxième schéma représente une vue de dessus du percolateur. On remarque que plus on s'éloigne de l'appareil, plus le champ électromagnétique décrois.
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B.CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE ET CORPS HUMAIN

Le champ électromagnétique existe également dans le milieu naturel, même en dehors de toute activité humaine. Les êtres humains émettent des champs électromagnétiques. On mesure par exemple le champ électromagnétique émis par le cerveau avec un électroencéphalogramme et le champ émis par le cœur avec un électrocardiogramme ( par exemple, le cœur crée un champ magnétique de 0.0005 mG alors que le cerveau produit un champ magnétique de 10-6mG). Quand un être vivant est exposé à un champ électromagnétique, des courants et des tensions sont créés dans le corps. La sensibilité aux champs électromagnétiques émis sera d'autant plus importante que le corps sera grand, c'est pourquoi les animaux de petite taille sont moins sensibles que ceux de grande taille (par exemple, le rat sera 12.5 fois moins sensible que l'homme au champ électrique)

Le schéma ci-dessous montre les courants traversant une personne pieds nus se trouvant sous une ligne haute tension de 735 KV (Canada).




C. CHAMP ÉLECTRIQUE ET CHAMP MAGNÉTIQUE

Le champ électromagnétique se divise en deux champs distincts :
  • Le champ électrique qui dépendra de la tension (plus la tension sera importante, plus le champ électrique sera important).
  • Le champ magnétique qui dépendra du courant (plus la charge sera importante, plus le champ magnétique sera important).
Les schémas ci-dessous montrent comment le champ électrique (en a) et le champ magnétique (en b) se comportent à l'intérieur du corps





D. CHAMP ÉLECTRIQUE

1. Qu'est ce qu'un champ électrique.

Influence de la tension sur le champ électrique (comparaison avec système hydraulique)


Le champ électrique dépend de la tension. Pour comprendre ce qu'est la tension, il est intéressant de faire une comparaison avec un système hydraulique.
Sur les schémas ci-dessus, pour une hauteur de 110 m, (sch1) la pression sera très importante au niveau de la vanne (beaucoup de débit), alors que pour une hauteur de 11m (sch2) la pression sera beaucoup plus faible (moins de débit pour le même diamètre de tuyau). De même, lorsque l'on ferme la vanne, il n'y a plus de débit mais la hauteur n'a évidemment pas changé ce qui veut dire que la pression est toujours la même.
En comparant avec le schéma électrique et si nous considérons que la hauteur correspond à la tension, pour une tension de 110V (sch3), il y aura beaucoup de " pression électrique " alors que pour une tension de 11V (sch4), la " pression électrique " sera beaucoup plus faible. Comme pour le système hydraulique, lorsque l'on ouvre l'interrupteur, la tension et donc le champ électrique reste constant, (lorsque vous coupez votre lampe de chevet, le champ électrique ne disparaît pas). La tension peut avoir une charge positive ou négative. Si vous rapprochez deux aimants, dans un sens ils se repoussent alors que dans l'autre sens, ils s'attirent. Cet effet est dû au champ électrique qui entoure l'aimant : comme un aimant à une charge (tension) positive d'un côté et négative de l'autre, deux aimants s'attirent quand on approche l'un de l'autre les côtés de l'aimant de signe contraire (2 charges de signe différent s'attirent) et ils se repoussent si on approche l'une de l'autre 2 charges de même signe. L'ensemble des charges électriques présentes sur un objet représente son voltage ( plus le voltage d'un objet est élevé, plus il porte de charges). Chaque charge élémentaire crée son propre champ électrique donc plus il y aura de charges, plus il y aura de champ électrique.

2. Unité et mesure du champ électrique

L'unité du champ électrique est le volt par mètre (V/m). Pour le mesurer, on peut employer divers appareils de mesure. Pour ma part, j'emploie un E .F.M. 130-3-50 fabriqué par ELECTRIC FIELD MEASUREMENTS. Cet appareil étalonné donne une valeur précise à 1.5 % pour la mesure du champ électrique.

3. Quelques valeurs de champ électrique :

Champ électrique naturel continu : 100 à 150 V/m
Champ électrique alternatif naturel : 0.001 V/m
Sous une ligne haute tension 380/400 000V : 1000 à 10 000 V/m
A 5 cm d'un câble électrique : 150V/m et à 30 cm : 5 V/m

4. Diminution du champ électrique en fonction de la distance (en V/m)




5. Valeurs de nocivité liées au champ électrique

On considère qu'il y a une nocivité à partir de 16 V/m pendant 8 heures de travail par jour 5 V/m pendant le sommeil Il n'y aura nocivité que pour les champs électriques ALTERNATIFS comme ceux présents dans les réseaux de distribution 50/60 hertz (les champs électriques continus ne seront pas nocifs).

6. Protection à l'encontre des champs électriques.

Le champ électrique peut être supprimé assez facilement en raccordant l'appareillage électrique à la masse. Les matériaux de construction tendent à diminuer le champ électrique à l'exception du bois qui le propage.


Sur le schéma-ci dessus, le champ électrique est presque entièrement absorbé par l'habitation (+/- 90%) Une rangée d'arbres ou une clôture métallique mise à la terre peuvent également protéger une habitation si elles se trouvent entre l'habitation et la ligne H.T.





E. CHAMP MEGNÉTIQUE

1. Influence du courant (comparaison avec système hydraulique)



Le champ magnétique est proportionnel au courant. Pour comprendre ce qu'est le courant, il est intéressant de faire une comparaison avec un système hydraulique. Sur le schéma ci-dessus, nous considérons que la hauteur est la même et que le diamètre du tuyau est variable. Pour un tuyau de grand diamètre, la quantité d'eau allant du bassin supérieur au bassin inférieur sera importante (la résistance que le tuyau oppose au passage de l'eau est faible). Par contre, si le diamètre du tuyau est par exemple 10 fois plus petit, l'eau s'écoulera plus lentement dans le bassin inférieur (10 fois plus lentement). Si on ferme la vanne, la résistance sera tellement importante que l'eau ne passera plus (la résistance sera infinie). Par comparaison, nous pouvons considérer que le diamètre du tuyau correspond à l'intensité (le courant). Plus le courant sera élevé, plus le champ magnétique sera important. Si on ouvre l'interrupteur, le courant et donc le champ magnétique disparaissent. Il y a une entorse à la règle de proportionnalité ; Les moteurs et les transformateurs sont très polluants parce qu'ils contiennent des bobinages. Ils peuvent dégager des champs magnétiques très importants même si leur puissance est très faible (quelques dizaines de Watts). Le champ magnétique représente les forces qu'une charge exerce sur les autres charges en mouvement, parce qu'elles sont en mouvement. Les champs magnétiques ne sont créés par des charges que si celles-ci sont en mouvement. Un champ magnétique variable peut produire un champ électrique variable, et ce champ électrique, s'il est suffisant, peut avoir un effet sur les charges immobiles (il va les mettre en mouvement).

2. Unités et mesures du champ magnétique

On utilise couramment trois unités.
  • Le TESLA utilisé en Europe. (T)
  • L'AMPERE PAR METRE. (A/m)
  • Le GAUSS utilisé au USA. (G)
1mG = 0.0001mT = 80 mA/m
Pour la mesure du champ magnétique, j'emploie une bobine étalonnée, EFM 140-3-50 fabriquée par ELECTRIC FIELD MEASUREMENTS. Cette sonde donne une précision de 1% pour la mesure du champ magnétique.

3. Quelques valeurs de champ magnétique

Champ magnétique naturel continu : 300 à 700 mG
Champ magnétique naturel alternatif : 0.13 à 0.17 mG
Champ magnétique mesuré sous une ligne à haute tension à pleine charge : 300 mG
Champ magnétique mesuré à 5 cm d'un réveil digital 150 mG, et pour certains, encore 1 mG à 1m20 (les réveils fonctionnant avec des piles ne sont pas nocifs).

4. Diminution du champ magnétique en fonction de la distance (en mG)





5. Valeurs de nocivités liées au champ magnétique

Seuls les champs magnétiques alternatifs sont nocifs pour les valeurs données ci-dessus. On considère qu'il y a nocivité à partir de : 0.5 mG pour le sommeil et 2 mG pour 8 heures de travail par jour

6. Protection à l'encontre des champs magnétiques

L'élimination des champs magnétiques est compliquée étant donné qu'ils traversent les matériaux classiques de construction. L'utilisation de câbles blindés spéciaux est nécessaire pour éviter de polluer les habitations. La protection des habitations surplombées par des lignes haute tension est quasi impossible, les champs magnétiques traversant les murs (voir le schéma ci-dessous). Les lignes de champ magnétique rayonnent autour du conducteur et comme la ligne est alimentée en alternatif, le champ magnétique change de sens tout les 100e de seconde en 50 hertz et tout les 120e de seconde en 60 hertz.


En conclusion, on peut se protéger des champs magnétiques en éteignant la lampe alors que pour éliminer le champ électrique, il faut enlever la prise ou employer des interrupteurs qui coupent les 2 phases (les 2 fils). Quand l'appareil fonctionne, le champ électrique pourra être éliminé en raccordant l'appareillage à la masse alors que le champ magnétique ne pourra être éliminé qu'en utilisant des matériaux spéciaux qui sont pour le moment hors de prix





F. Influence de la diminution ou de l'augmentation de la tension sur le champ électromagnétique


Diminution de la tension (comparaison avec système hydraulique)


Sur le schéma ci-dessus nous avons un système hydraulique ayant une hauteur de 220 m avec un diamètre de tuyau de 1 cm. Lorsque la vanne est ouverte, l'eau s'écoule du bassin supérieur dans le bassin inférieur avec un certain débit. Maintenant si nous diminuons la hauteur par 20 (11 m), pour garder le même débit, il faudra augmenter de 20 fois (20 cm) le diamètre du tuyau.
En comparant avec le schéma électrique, (la hauteur est comparable à la tension et l'intensité du courant sera proportionnelle au diamètre du tuyau) pour une tension de 220 V, nous aurons un courant de 1 A si la puissance de la charge (ampoule par exemple) est de 220 W (la puissance P en Watt est égale à l'intensité I en Ampère multipliée par la tension U en Volt). Si maintenant, nous diminuons la tension de 20 fois (11 V), pour garder la même puissance, il faudra augmenter l'intensité du courant par 20, (nous aurons donc un courant de 20 A). P (en W) = U (en V) x I (en A). Si on augmente I, il faudra diminuer U et inversement, si on diminue I, il faudra augmenter U pour garder la même puissance. Ce qui veut dire que lorsqu'on emploie des halogènes en basse tension, (11V) on diminue la tension par 20 en 220 V ou 10 en 110 V, on augmente donc le courant par 20 ou 10. Etant donné que le champ magnétique est proportionnel au courant traversant les conducteurs, il sera plus important, à puissance égale, pour les halogènes fonctionnant en 11.5 V que pour les ampoules fonctionnant en 110 ou 220 V. La section des fils étant proportionnelle à l'intensité du courant, (plus on diminue le courant, plus la section des conducteurs diminue) vous comprenez maintenant pourquoi on élève la tension pour le transport de l'énergie électrique. ( les lignes haute tension pouvant atteindre des valeurs de 380/400 000 V en Europe et 735 000 V au Canada). Le transport d'énergie n'est pas imaginable en basse tension car la section des câbles serait énorme. Si la section d'un câble haute tension est de +/- 5 cm, (la tension étant 1000 fois supérieure à la tension du réseau), imaginez la section qu'il faudrait donner au câble pour transporter la même puissance.





G. PRODUCTION ET DISTRIBUTION D'ÉLECTRICITÉ


1. Fréquences de travail

Dans les réseaux de distribution, on travaille en 50 Hz en Europe et en 60 Hz aux USA et au Canada, ce qui veut dire que les réseaux électriques sont alternatifs et produisent des champs électriques et magnétiques alternatifs. Certaines lignes haute tension fonctionnent en courant continu (Canada) et en Europe certains pays possèdent des réseaux de chemin de fer fonctionnant en courant continu (Belgique, Hollande… ) alors que d'autres pays ont des réseaux fonctionnant en courant alternatif (plus nocif que les réseaux en courants continus). Une oscillation positive et une oscillation négative correspondent à une période. Il y a 50 périodes par seconde en 50 Hz ce qui veut dire que le courant, la tension et donc le champ électromagnétique changeront de sens tous les 100e de seconde (en 60 Hz, il y aura 60 périodes par seconde donc un changement de sens tout les 120e de seconde). Le schéma ci-dessous donne la représentation graphique d'un courant alternatif 50 Hz en fonction du temps.



La production d'électricité se fait à l'aide d'alternateurs de grande puissance (courant très important). Afin de diminuer la section des conducteurs de transport, on va augmenter la tension à des valeurs très élevées (dans un transformateur), ce qui va diminuer l'intensité du courant (la section des conducteurs dépend de l'intensité) afin de transporter l'électricité produite à un endroit déterminé. La tension sera ensuite ramenée à des valeurs plus faibles pour alimenter les réseaux en moyenne tension qui amènent l'électricité dans différents quartiers puis un nouveau transformateur réduira encore la tension pour arriver aux tensions utilisées dans les habitations (il y a des pertes à chaque étape ce qui veut dire que l'électricité est une source d'énergie qui reviendra plus cher que les " sources primaires " d'énergie). Le graphique ci-dessous représente schématiquement la distribution d'électricité .