Champ électromagnétique?

La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Qu’est-ce qu’un
Champ électromagnétique?
Alain Azoulay
Consultant, www.radiocem.com
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Définition trouvée à l’article 2 de la Directive
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
«champs électromagnétiques» :
des champs électriques statiques,
des champs magnétiques statiques
et des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques variant
dans le temps et dont les fréquences vont jusqu’à 300 GHz
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Plan de l’exposé
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
1. Introduction
2. Notions de base relatives au champ électromagnétique
3. Contexte de la Directive 2013/35/UE :
les grandeurs à connaître
4. Conclusion
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
1. Introduction
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Pourquoi s’intéresse-t-on aux champs électromagnétiques
et que sont ces champs ?
Lignes THT
Station de base de téléphonie
mobile
Ce ne sont pas les seules sources
de champs électromagnétiques
Ex: Machine à souder
le plastique à 27 MHz
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Champs EM : Longue histoire au fil des siècles
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
, Branly
Extrait de cours du Pr. John Martin
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Théorie et vérification du champ EM
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
J.C. Maxwell
Théorie du champ ElectroMagnétique
(1864)
Expérience de Hertz en 1884
Expérience de Branly
Hertz
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
2. Notions de base relatives au champ électromagnétique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Dans le domaine de l’électricité statique,
Expérience du « bâton d’ébonite et de la peau de chat »
Bâton d’ébonite frotté S
Attraction (ou répulsion) de petits bouts
de papier
Le bâton est chargé électriquement (q quantité d’électricité) ;
l’espace autour du bâton est le siège d’une zone de « Champ électrique E »
la force d’attraction (ou de répulsion) est reliée à ce champ par:
F = q.E
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Champ électrique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
De même, l’expérience du condensateur C chargé sous une différence de potentiel
constante V accumulant une charge Q = C.V
Entre les électrodes, il existe un champ électrique E
E= V/h
E s’exprime en V/m si V est en volts et h en mètres
h distance entre les deux électrodes
De plus, si on fait varier la charge dans le temps, par exemple dans un circuit,
on fait alors circuler un courant
i(t) = dq/dt
ou si la charge est mise en mouvement,
Un phénomène complémentaire apparaîtra : l’Induction magnétique B
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Champ électromagnétique en Régime dynamique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Tout conducteur parcouru par un
courant crée à distance un champ
EM caractérisé par:
i(t)
- un vecteur champ électrique E
(V/m)
- un vecteur champ magnétique H
(A/m) relié au vecteur B (induction
magnétique par une relation
simple B = µ.H, en Teslas)
E, H
µ perméabilité magnétique du milieu
Dans l’air, µ=µo=4.π.10-7
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Physique du rayonnement électromagnétique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Un rayonnement EM est une perturbation de l’espace et est
représenté par un champ Electrique E et un champ Magnétique H
(qui sont liés par les équations de Maxwell)
E
Direction de
propagation
λ
H
Les ondes EM ont une nature oscillatoire
S
Longueur d’onde λ : distance entre 2 maxima
de champ E ou H successifs
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Emission en polarisation linéaire
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Plan E
Plan H
Polarisation d’une onde : Direction du vecteur champ électrique E
•
Polarisation linéaire : verticale ou horizontale
•
Polarisation circulaire (droite ou gauche)
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Exemple : Application à très basse fréquence (50 Hz)
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Variation de l'induction magnétique B
le long du chemin
10,00
Mesures d’induction magnétique
sur un chemin quasi perpendiculaire à
une ligne THT (10/10/2013)
6,00
4,00
2,00
12:01:31
12:01:01
12:00:31
12:00:01
11:59:31
11:59:01
11:58:31
11:58:01
11:57:31
11:57:01
11:56:31
11:56:01
11:55:31
11:55:01
11:54:31
11:54:01
11:53:31
11:53:01
11:52:31
11:52:01
11:51:31
0,00
11:51:01
B (µT)
8,00
Heure
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Caractéristiques de l’onde électromagnétique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Une antenne d’émission produit un champ (ou onde)
électromagnétique tout autour d’elle, constitué de 2 champs E, H
E s’exprime en V/m, H en A/m
a) l’onde transporte de l’énergie dsP = E x H
(densité surfacique de puissance en W/m²)
b) loin de la source, les champs E et H décroissent comme
l’inverse de la distance à l’antenne sauf très près de l’antenne
c) le rapport entre E et H est constant et égal à environ 377 Ohms.
(loin de l’antenne, à quelques longueurs d’onde) et E perpendiculaire /
àH
d) la longueur d’onde λ dans l’air est égale à
λ(m) = c /F(Hz) ou 300/F(MHz)
c vitesse de la lumière c= 3.108 m/s
mais pas dans les tissus biologiques
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Propagation et couplage de l’onde EM
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
i(t)
i’(t)
Courant induit par
le champ EM
Onde EM
(E, H )
d
Conducteur dans
l’environnement à distance d
exposé au champ incident
Conducteur traversé
par un courant i(t)
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Correspondance Temps - Fréquence
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Fc= 1/T (fréquence signal)
amplitude
T (période)
1
1
0.8
0.9
0.6
0.8
0.4
0.7
0.2
0.6
|Y(f)|
0
-0.2
0.5
0.4
-0.4
0.3
-0.6
0.2
-0.8
-1
0.1
0
5
10
15
20
25
30
35
0
0
50
100
150
200
250
300
Frequence (Hz)
350
400
450
500
Temps (s)
Oscillogramme
Spectre
Domaine temporel
Fréquence F (Hz)
Domaine fréquentiel
Développement en série de Fourier
ou Transformation de Fourier rapide (FFT)
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A.Azoulay
Le spectre électromagnétique
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Bande de fréquences
Une bande de fréquences est une partie continue du spectre
radioélectrique exprimée en kilohertz (kHz), mégahertz (MHz) ou gigahertz (GHz).
Rayonnements ionisants
Rayonnements non ionisants
Extrèmement
Basses
fréquences
Rayonnement
Infrarouge
Radiofréquences
Lumière
visible
Ultra
violet
Rayons
X
Rayons
Gamma
Fréquences (Hz)
50
102
9.103
3.1012
1014
1016
1018 1020
1022
Domaine d’application
de la Directive
0 – 0,3.1012 (300 GHz)
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Mécanisme d’exposition aux ondes électro-magnétiques
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Air (εo, µo)
E
SOURCE
D’EMISSION
(intentionnelle ou
non intentionnelle)
Milieu de
Propagation
et / ou de
Couplage
MILIEU
BIOLOGIQUE
EXPOSE
H
ε,σ
Domaine de la biologie,
Biophysique et du
Bio-électromagnétisme
Domaine de la physique,
Electromagnétisme
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
3. Contexte de la Directive 2013/35/UE :
les grandeurs supplémentaires à connaître
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
Valeurs limites d’exposition (VLE) et valeurs déclenchant l’action (VA)
VLE : valeurs établies sur la base de considérations biophysiques et biologiques
VA: niveaux opérationnels fixés afin de simplifier le processus permettant de démontrer
le respect des VLE ou qu’il y a lieu de prendre des dispositions de protection
GRANDEURS PHYSIQUES ASSOCIEES
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
GRANDEURS PHYSIQUES RELATIVES À L’EXPOSITION À DES
CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES (1)
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
• L’intensité de champ électrique (E) (en V/m)
Une distinction doit être opérée entre le champ électrique ambiant et le
champ électrique présent dans le corps (in situ) résultant de l’exposition au
champ électrique ambiant.
• Le courant induit dans les extrémités (il) est le courant traversant les
membres d’une personne exposée à des champs électromagnétiques dans la
gamme de fréquences comprises entre 10 et 110 MHz résultant du contact
avec un objet dans un champ électromagnétique ou du flux de courants
capacitifs induits dans le corps exposé. Il est exprimé en ampères (A).
• Le courant de contact (Ic) est un courant qui apparaît lorsqu’une
personne entre en contact avec un objet dans un champ électromagnétique. Il
est exprimé en ampères (A).
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
GRANDEURS PHYSIQUES RELATIVES À L’EXPOSITION À DES
CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES (2)
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
• L’intensité de champ magnétique (H).
Unités : A/m
• L’induction magnétique (densité de flux magnétique) (B)
Unités: T (tesla)
•La densité de puissance (S) est une grandeur appropriée
utilisée pour des hyperfréquences lorsque la profondeur de
pénétration dans le corps est faible.
Unités : (W/m²)
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
GRANDEURS PHYSIQUES RELATIVES À L’EXPOSITION À DES
CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES (3)
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
• L’absorption spécifique (AS) de l’énergie est l’énergie absorbée par
une unité de masse de tissus biologiques; Unités: joule par kilogramme
(J/kg ). Dans la présente directive, elle est utilisée pour limiter les effets des
rayonnements micro-ondes pulsés.
• Le débit d’absorption spécifique (DAS) de l’énergie moyenne sur
l’ensemble du corps ou sur une partie quelconque du corps est la puissance
absorbée par unité de masse du tissu du corps; Unités (watt par kg
(W/kg).
2 types de DAS :
a) DAS «moyenné corps entier» caractérise les effets thermiques.
b) Le DAS local permet d’évaluer et de limiter une puissance excessive
dans des petites parties du corps résultant de conditions d’exposition
spéciales.
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
4. CONCLUSION
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
La problématique du champ électromagnétique et de l’exposition des
personnes est assez complexe, non seulement par les exigences de la
Directive mais aussi parce que le champ électromagnétique et ses grandeurs
associées ne sont pas toujours directement mesurables.
Les grandeurs externes (l’induction magnétique (B),
les courants de contact (ic), les courants induits dans les extrémités (il),
l’intensité de champ électrique (E), l’intensité de champ magnétique (H)
et la densité de puissance (S) ) sont en général mesurables,
parfois avec des difficultés métrologiques.
Pour les grandeurs internes, il en va différemment car les grandeurs ne sont pas
souvent mesurables, il faut alors passer par des simulations ou des mesures sur des
fantômes (DAS).
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay
Bibliographie
La nouvelle directive européenne 2013/35/UE
[1]. Directive 2013/35/UE du Parlement européen et du Conseil
du 26 juin 2013 concernant les prescriptions minimales de sécurité et de santé
relatives à l’exposition des travailleurs aux risques dus aux agents physiques
(champs électromagnétiques) et abrogeant la directive 2004/40/CE
[2]. R. Feynman. Le cours de physique de Feynman – Électromagnétisme.
Dunod, Edition 2013
[3]. G. Bruhat. Electricité.
[4]. A. Azoulay. Ondes et champs électromagnétiques.
Revue AFIS. Sciences et pseudo sciences. Avril / Juin 2009
3 décembre 2013 .
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A.Azoulay