Physique seconde électricité

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La foudre

Les dangers de la foudre

Chaque année en France la foudre provoque la mort de plusieurs dizaines de personnes et d'environ 20 000 animaux. Elle est aussi responsable de 17000 incendies et d'un nombre important de dégâts divers sur les matériels électriques et électroniques.

L'orage

Les nuages orageux (cumulo-nimbus) sont des masses de plusieurs milliers de tonnes d'eau. Ils se forment dans des conditions particulières d'humidité et de température (journée chaude et humide par exemple). Si la base du nuage se trouve entre 1 et 3 km, le sommet peut dépasser 10km d'altitude. Il existe ainsi entre la base et le sommet du nuage de fortes différences de température qui provoquent des courants de convection. Ces courants d'air ascendants entraînent les particules les plus légères qui s'élèvent, se transforment en glace et se chargent positivement, tandis que les particules plus lourdes descendent et se retrouvent en bas sous forme liquide; elles sont chargées négativement.
Le
bas du nuage, chargé négativement, repousse les charges négatives du sol qui se trouve ainsi chargé positivement par influence. La tension entre un nuage et le sol ou entre deux nuages peut atteindre plusieurs dizaines de millions de volts.
En temps normal, la terre est chargée négativement et la haute atmosphère positivement. Le champ électrique en résultant est de l'ordre de
100V/m. Lors d'un orage ce champ s'inverse et prend des valeurs voisines de 15 à 20 kV/m. Le seuil de conduction de l'air est atteint. L'éclair va jaillir.

Benjamin Franklin (1706-1790) étudia ces phénomènes au péril de sa vie en lançant des cerfs-volants dans les nuages orageux. L'inconscient s'amusait à faire jaillir des étincelles en approchant le doigt d'une clé accrochée au fil du cerf-volant.
Certains de ses disciples en sont morts.

 

La foudre

Avant que l'éclair ne jaillise, il est possible de voir une lueur violacée au voisinage d'objet pointus. Il s'agit du feu de Saint Elme bien connu autrefois dans la marine à voile.
La décharge entre nuage et sol comprend deux phases:

Au cours de la première phase, les charges négatives descendent vers le sol par bonds successifs, ce sont les "traceurs". Sur leur passage se forme un canal d'air ionisé. Des amorces de décharges ascendantes prennent naissance à partir des points les plus exposés (pointes, clochers, sommet des arbres...) à la rencontre des traceurs.
Lorsque la liaison est établie, le canal d'air ionisé est traversé par le courant de décharge principal.
Dans la photo ci-contre, on voit deux décharges principales et plusieurs traceurs.

Les effets de la foudre

L'air ionisé produit une lumière intense: l'éclair. Le courant de décharge est très élevé (l'intensité peut varier de 1 kA à 100 kA). Sur son passage, l'air s'échauffe et se dilate brutalement, ce qui provoque une onde de choc: le tonnerre.
Lorsque la foudre tombe sur un bâtiment, le courant intense qui s'écoule dans la terre peut traverser les charpentes et les parties conductrices en provoquant un échauffement intense voire un incendie. Lorsque la foudre frappe un arbre, pendant que le courant s'écoule dans le sol il existe aux alentours une tension suffisante pour élecrocuter un homme ou un animal. Un animal a quatre pattes est d'ailleurs plus en danger qu'un homme aux pieds joints car le courant qui traverse le corps est plus important si les contacts avec le sol sont plus espacés.
Le courant de décharge produit un rayonnement électromagnétique qui peut induire des tensions élevées dans des circuits situés dans le voisinage. On déplore ainsi la destruction de nombreux appareils électriques et électroniques.

Protections et précautions

Le "paratonnerre"


Pour la protection des bâtiments, Benjamin Franklin a inventé, en 1779, le "paratonnerre" (il devrait s'appeler plutôt "parafoudre"). Une pointe métallique est placée au sommet du bâtiment. Il est relié à la terre par un câble suffisamment gros pour permettre l'écoulement du courant de décharge.
L'inconvénient du dispositif est qu'il "attire" la foudre.
On peut protéger le réseau électrique par un fil tendu au-dessus des lignes aériennes ou par des éclateurs placés en parallèle et reliés à la terre.
Le matériel électrique ou électronique est protégé par des parafoudres montés en série.

Les précautions


Pendant un orage, il est dangereux de se placer sous les arbres sur lesquels la foudre peut tomber. Mais il tout aussi dangereux de traverser une vaste place ou un champ dans lequel la personne serait la partie la plus exposée. Il ne faut pas utiliser un parapluie ou un objet pointu (par exemple un piolet, une fourche...)
Par contre, une automobile est un très bon abri, car sa carosserie métallique constitue une
cage de Faraday qui vous protège du danger.

Last modified: Thursday, 7 July 2016, 9:09 AM
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