Note technique - John Libbey Eurotext

Note technique
L’environnement électromagnétique
à basse fréquence
Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 24/05/2017.
FRANÇOIS DESCHAMPS
Réseau de transport
d’électricité (RTE),
Centre national d’expertise
réseaux,
34, rue Henri-Régnault,
La Défense 6,
92068 Paris
La Défense cedex
<[email protected]>
Tirés à part :
F. Deschamps
Résumé. Vouloir parler de l’environnement électromagnétique impose en tout premier lieu de
bien poser les notions de base et de bien préciser ce dont on parle. Ainsi, avant toute chose, il
faut définir ce que sont les champs électromagnétiques et, plus difficile encore, rendre cette
définition compréhensible par le plus grand nombre. Tel est l’objectif de cette note technique.
Mots clés : champ électromagnétique ; exposition environnement.
Abstract. The low-frequency electromagnetic environment
Discussing the electromagnetic environment requires a clear statement of the basic concepts
and precision about the specific topic. Accordingly, we must start by defining electromagnetic
fields and, still more difficult, making this definition generally understandable. That is the
objective of this technical note.
Key words: electromagnetic fields; environmental exposure.
O
n imagine bien que les fameuses équations de Maxwell ne
présentent qu’un intérêt limité dans cet objectif. On trouve
des pistes dans les dictionnaires, même si certaines définitions
proposées restent, par souci de rigueur mathématique, quelque
peu hermétiques. La définition de champ qu’on propose de
retenir est celle, simple et pragmatique, du dictionnaire Larousse
de 1980 : « Espace dans lequel une grandeur est soumise à une
force. »
C’est cette idée de force qu’on propose de garder en
mémoire pour expliquer simplement la notion de champ : pour
le physicien, un champ exprime (avec un certain formalisme
mathématique) l’idée qu’une force existe et agit. L’action de cette
force-champ est ciblée : elle ne s’exerce que dans certaines
conditions particulières et sur certaines propriétés de la matière.
Ainsi, le champ de gravitation s’exprime par une force qui
attire deux corps massifs l’un vers l’autre (figure 1). Le terme
« massif » est ici à prendre au sens que lui donnent les physiciens, c’est-à-dire « qui possède une masse ». Réciproquement,
les éléments sans masse, tels que les photons, ne sont pas
sensibles à la gravitation (même si la relativité a, depuis Newton,
nuancé cette affirmation).
Le champ électrique (figure 2) est créé par les charges électriques et ne s’exerce que sur les particules chargées électriquement ; les particules neutres y sont insensibles.
Le champ magnétique est, quant à lui, produit par les charges
électriques qui se déplacent – autrement dit les courants électriques – et, réciproquement, ne s’exerce que sur des charges en
mouvement.
Cette présentation permet de percevoir la dualité entre
champ électrique et magnétique : ainsi, des charges électriques
créent un champ électrique qui exerce une force sur d’autres
charges électriques. Celles-ci, mises en mouvement par cette
P = m.g
Figure 1. Le champ gravitationnel.
force, constituent alors un courant électrique et génèrent
ipso facto un champ magnétique, susceptible d’agir sur d’autres
courants, etc. C’est cet enchevêtrement de charges, de forces et
de courants qui constitue le cœur de l’électromagnétisme, et que
Maxwell a formalisé en 1873 avec quatre équations fondamentales exprimant les interactions entre charges, courants, champ
électrique et champ magnétique.
Environnement, Risques & Santé − Vol. 5, n° 1, janvier-février 2006
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F. Deschamps
F = q.E
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E
Figure 2. Le champ électrique.
Figure 3. Champs électrique et magnétique générés par un appareil domestique.
Ces mêmes équations montrent également que ces interactions sont d’autant plus fortes que la fréquence est élevée. En
pratique, dans le domaine des très basses fréquences, ces interactions peuvent être négligées : les champs électriques et
magnétiques à 50 Hz peuvent être considérés comme indépendants.
La figure 3 illustre ce phénomène : un appareil sous tension
(branché sur le réseau) accumule des charges électriques et émet
donc du champ électrique. Tant que l’interrupteur reste ouvert, il
n’y a pas de circulation de courant. Une fois l’interrupteur
basculé, le courant passe et il y a donc également émission de
champ magnétique. Ce champ magnétique est indépendant du
niveau de tension (donc du champ électrique) : il est ici lié à la
seule consommation électrique de l’ampoule de la lampe.
L’unité de mesure des champs électriques est le volt par
mètre (notation V/m), illustration directe du lien entre champ
électrique et tension électrique, qui s’exprime, comme chacun
sait, en volts.
L’unité de mesure des champs magnétiques est l’ampère par
mètre (notation A/m), qui exprime tout aussi clairement le lien
entre courants et champs magnétiques. Cependant, on utilise
usuellement le tesla (notation T) et, plus couramment encore, son
sous-multiple le microtesla (notation lT). Formellement, ces
unités correspondent au champ d’induction magnétique. Il
n’entre pas dans les objectifs de cette présentation d’expliquer au
lecteur le détail de la relation entre champ magnétique et induction magnétique : on se contentera d’indiquer que pour la plupart
des matériaux, les deux sont liés par une relation linéaire, ce qui
justifie largement l’amalgame couramment pratiqué. On retiendra donc que l’unité de champ magnétique couramment utilisée
est le microtesla.
Le spectre électromagnétique
Comme on vient de le voir, les champs électromagnétiques
sont intimement liés à la notion même d’électricité. Dès lors, tout
Fréquence
50 Hz
105
1010
1014
Champ statique
1020
1022
Rayons X
lumière
visible
Figure 4. Le spectre électromagnétique.
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L’environnement électromagnétique à basse fréquence
appareil produisant, transportant, ou consommant de l’électricité, produit dans son voisinage des champs électriques et
magnétiques dont l’intensité, la fréquence et la répartition dans
l’espace sont directement liées à la source elle-même.
La fréquence la plus répandue est évidemment le 50 Hz1,
fréquence de fonctionnement des réseaux électriques. Cependant un grand nombre d’appareils électriques et d’installations
industrielles transforment l’électricité distribuée à 50 Hz, soit en
courant continu, soit en fréquences plus élevées, telles que les
nombreuses bandes de fréquences utilisées pour les applications
de télécommunications.
Notre civilisation est technologiquement développée et, en
conséquence, nous baignons en permanence dans un environnement électromagnétique très complexe, résultant de l’ensemble de ces utilisations de l’électricité (figure 4). L’exposition nulle
n’y existe donc pas.
La partie haute du spectre électromagnétique est celle des
rayonnements très énergétiques de type rayons X ou gamma. Ces
rayonnements sont dits ionisants car suffisamment énergétiques
pour pouvoir arracher des électrons aux atomes et/ou casser des
molécules (et créer ainsi des ions, d’où le qualificatif ionisants).
C’est ce mécanisme d’altération moléculaire qui explique le
caractère cancérogène de ces rayonnements.
La partie basse du spectre est celle des rayonnements non
ionisants : ils ne sont pas suffisamment énergétiques pour créer
des ions ; ils peuvent néanmoins apporter de l’énergie, comme
en témoignent les micro-ondes utilisées pour la cuisson. Bien
évidemment, plus on descend en fréquence et plus l’énergie est
faible. Celle des rayonnements 50 Hz est ainsi 1012 fois plus
faible (mille milliards !) que l’énergie minimale nécessaire pour
arracher un électron à un atome.
La frontière entre ces deux domaines est constituée par la
gamme des rayonnements lumineux : en partie haute du spectre
lumineux, on trouve les rayonnements ultraviolets dont la can1
60 Hz pour les réseaux nord-américains.
E = 100 V/m
Figure 6. Champ électrique induit par l’activité résiduelle de
l’atmosphère.
cérogénicité est avérée et, en partie basse, les rayonnements infrarouges qui sont associés à l’idée d’un rayonnement thermique.
Voici quelques applications courantes de l’électricité, utilisant des fréquences différentes du 50 Hz :
– courant continu :
• applications domestiques fonctionnant à 12 ou
24 volts, tels que les jouets (trains électriques), les luminaires basse tension ;
• tous appareils fonctionnant sur piles ou batteries ;
• alimentation de certains trains (dont métro et RER de
Paris) ;
– 16 Hz 2/3 : fréquence utilisée par de nombreux réseaux
ferrés étrangers : Suisse, Allemagne, Suède... mais non en
France) ;
– 20 à 50 kHz : cuisson par induction, portiques antivol ;
– 150 kHz : bande radio des grandes ondes (France Inter
GO : 162 kHz) ;
– 100 MHz : bande radio FM (France Info : 105,5 MHz) ;
– 915 MHz et 1 800 MHz : téléphonie mobile ;
– 2 450 MHz : fours micro-ondes domestiques.
Sources de champs électriques
et magnétiques
N
Champs naturels
B =60 µT
B =30 µT
S
Figure 5. Le champ magnétique terrestre.
Les champs électriques et magnétiques existent à l’état naturel sur la terre. Le plus connu est le champ magnétique terrestre
(figure 5). Son intensité varie en fonction de la latitude ; il est
minimal à l’équateur (intensité de l’ordre de 30 lT) et maximal au
niveau des pôles magnétiques (60 lT). En France, il atteint une
intensité d’environ 50 lT. Il peut présenter des variations locales, liées à la présence de grandes masses de matériaux métalliques (ex : minerais de fer).
Il est également bien connu que l’atmosphère terrestre a une
activité électrique importante : les nuages orageux sont chargés
d’électricité et, à l’aplomb de tels nuages, le champ électrique
peut atteindre 15 000 à 20 000 V/m. Par beau temps, l’activité
électrique résiduelle de l’atmosphère induit un champ électrique
de l’ordre de 100 V/m (figure 6).
Environnement, Risques & Santé − Vol. 5, n° 1, janvier-février 2006
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F. Deschamps
I1, I2, I3
avec ∑ Ii = 0
100 kA
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B = Cte
I
d2
Figure 7. Variations des champs magnétique et électrique induites
par la foudre et la décharge brutale d’un nuage orageux.
Figure 9. Champ magnétique basse fréquence généré par les
réseaux électriques.
Qu’il s’agisse de magnétisme terrestre ou d’électricité atmosphérique, les champs sont statiques, c’est-à-dire que leur amplitude ne
change que de manière très lente, par exemple lors de la formation d’un orage. On rencontre cependant des phénomènes électriques naturels présentant des variations très rapides : c’est en
particulier le cas de la foudre qui, physiquement, correspond à
un courant de forte amplitude, venant brutalement décharger au
sol les charges électriques accumulées dans un nuage orageux.
Ainsi, la foudre induit un fort champ magnétique transitoire
qui peut être une source importante de perturbations électromagnétiques. En parallèle, la décharge brutale du nuage orageux
fait également varier brutalement la valeur du champ électrique
sous celui-ci (figure 7).
Sources de champ magnétique basse fréquence
On peut classer les sources de champ magnétique à très
basse fréquence en trois grandes familles.
• La première famille est celle des conducteurs uniques,
parcourus par un courant. La loi d’Ampère (figure 8) nous
apprend que le champ magnétique généré par de telles sources
est proportionnel à l’intensité du courant et inversement proportionnel à la distance au conducteur : tel est le cas des caténaires
d’alimentation des réseaux ferrés électriques.
• La deuxième famille est celle des réseaux électriques : il
s’agit de systèmes de grande dimension, constitués de conducteurs parallèles, parcourus par des courants triphasés équilibrés2.
Le champ magnétique généré par ces sources décroît comme le
carré de la distance à la source (1/d2) (figure 9).
Rentrent dans cette deuxième famille tous les réseaux électriques, quel que soit leur niveau de tension. Il faut cependant
noter une exception : les réseaux torsadés (réseaux isolés 380 V
et câbles 20 kV). Cette forme particulière rend quasiment négligeable le champ magnétique émis.
• La troisième famille, enfin, est celle des sources localisées,
qui comprend tous les appareils électroménagers et, de manière
générale, toutes les sources industrielles. Pour cette famille, le
champ magnétique décroît comme le cube de la distance (1/d3).
Cette décroissance très rapide fait que les champs magnétiques
émis par les sources domestiques deviennent rapidement négligeables : on considère habituellement que c’est vrai à partir
d’une distance de 2 mètres.
Attention, cette décroissance rapide ne signifie pas que
l’exposition entraînée par ces sources est négligeable. En effet, les
champs magnétiques émis au contact de certains appareils électriques domestiques peuvent localement dépasser 1 000 lT.
C’est souvent le cas avec les petits appareils à moteurs tels que les
mixeurs, broyeurs, appareils de bricolage, etc.
Il convient également de retenir que, contrairement aux deux
premières familles de sources de champ magnétique, le niveau
d’émission est ici quasiment indépendant du courant consommé
par l’appareil : plutôt que le courant, c’est la technologie du
moteur, du transformateur et des autres sources internes qui
détermine le niveau d’émission.
Champs artificiels
Sources de champ électrique basse fréquence
Comme on l’a vu, le champ électrique est lié à l’accumulation des charges et donc à la tension électrique. En pratique, dans
notre environnement quotidien, seules les installations électriques à haute tension (lignes et postes aériens) constituent des
sources significatives de champ électrique.
Notons que le champ électrique est très facilement arrêté par
les matériaux courants, y compris les matériaux de construction.
Le champ électrique à l’intérieur d’un bâtiment est donc presque
toujours négligeable. Les seules situations d’exposition du public
se trouvent donc au voisinage des réseaux haute tension et à
l’extérieur des bâtiments.
I
B = Cte
I
d
Figure 8. Champ magnétique basse fréquence généré par les
conducteurs uniques.
16
2
Les courants circulant dans les différentes phases sont alternatifs et
décalés dans le temps. Leur somme est nulle à tout instant.
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L’environnement électromagnétique à basse fréquence
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Champs électriques
(en V/m)
Champs magnétiques
(en µT)
Rasoir
négligeable
Réfrigérateur
0,30
Micro-ordinateur
négligeable
Grille-pain
0,80
Grille-pain
40
Chaîne stéréo
1,00
Téléviseur
60
Lignes à 225 000 volts
(à 100 m de l'axe)
0,30
Chaîne stéréo
90
Lignes à 90 000 volts
(à 300 m de l'axe)
1,00
Lignes à 400 000 volts
(à 100 m de l'axe)
1,20
Micro-ordinateur
1,40
Téléviseur
2,00
Couverture
chauffante
3,60
Rasoir
500
Réfrigérateur
90
Lignes à 225 000 volts
(à 100 m de l'axe)
40
Lignes à 90 000 volts
(à 300 m de l'axe)
100
Lignes à 400 000 volts
(à 100 m de l'axe)
200
Couverture
chauffante
250
Figure 10. Ordres de grandeur des champs électrique et magnétique générés dans notre environnement quotidien.
Nota bene : il s’agit de valeurs maximales mesurées à 30 centimètres, sauf pour les appareils qui impliquent une utilisation rapprochée.
Les postes de transformation du réseau électrique peuvent
être considérés comme des sources localisées. Le champ émis
par ces postes décroît donc très rapidement. Il s’ensuit que pour
les postes alimentés par des réseaux aériens, les champs émis par
ces postes sont le plus souvent négligeables par rapport à ceux
que génèrent les lignes qui y sont connectées.
Mesures et calculs
de champ électrique et magnétique
Il faut enfin noter que, contrairement à certaines idées reçues,
les transformateurs du réseau génèrent très peu de champ magnétique. En tout état de cause, ce sont donc des sources négligeables par rapport aux conducteurs électriques qui les alimentent.
La situation est exactement l’inverse avec les petits moteurs et
transformateurs des appareils domestiques.
Comme on l’a indiqué précédemment, le champ électrique à
très basse fréquence est très facilement arrêté par toutes sortes de
matériaux, même aussi faiblement conducteurs que les matériaux de construction. Aussi, de nombreux éléments peuvent-ils
perturber localement le champ et ainsi biaiser la mesure. C’est en
particulier le cas avec l’opérateur réalisant la mesure. Pour éviter
cette erreur, il faut éloigner le capteur de l’opérateur, par exemple
en utilisant une perche isolante. Les meilleurs appareils de
mesure du champ électrique sont ainsi constitués d’un capteur
déporté relié à l’électronique de mesure par une fibre optique
(figure 11).
Quelques ordres de grandeurs
La figure 10 présente différentes valeurs de champs électriques et magnétiques générées par différents appareils et équipements de notre environnement quotidien.
Champ électrique
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17
F. Deschamps
Champ magnétique
Capteur..
Perche
isolante
Fibre optique
Pied
isolant
Mauvaise
position
Bonnes positions
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Figure 11. Mesure de champ électrique.
Si la mesure des champs électriques est techniquement délicate, l’interprétation de ces mesures est généralement très simple : les seules sources notables sont les installations de plein air
à haute tension, autrement dit les lignes aériennes. Comme ces
sources sont rares et facilement identifiables, les mesures sont
donc faciles à interpréter.
18
En matière de champ magnétique basse fréquence, la situation est complètement opposée à la précédente :
– le champ magnétique est difficile à blinder et, en corollaire,
il est difficilement perturbé. Nul besoin dès lors de prendre des
précautions opératoires pour les mesures : le capteur peut être
tenu en main sans risque de biais. La mesure est donc techniquement simple et peut être réalisée au moyen d’appareils relativement peu onéreux ;
– l’interprétation des mesures de champ magnétique, en
revanche, est difficile car les sources sont très nombreuses et
peuvent être cachées derrière des cloisons (exemples : colonne
d’alimentation électrique d’un immeuble, câble souterrain,
équipements électriques des voisins, etc.). On peut être amené
à faire beaucoup de mesures pour arriver à bien différencier
l’influence respective des différentes sources intervenant à un
endroit donné.
n
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