Archives mensuelles : mai 2006

L’électricité

C’est une chose qu’on utilise tous les jours, une notion assez vague pour la plupart des gens, mais quand ces mêmes gens n’en ont plus, c’est la catastrophe. Si notre monde se retrouvait privé d’électricité ne serait-ce qu’une semaine, ce serait l’apocalypse !!

Electricité… statique

 L’électricité a été découverte sous sa forme électrostatique il y a plus de 2000 ans par les grecs anciens (si si je vous jure que c’est vrai). Ils observèrent qu’en frottant de l’ambre jaune (élektron en grec), ce dernier pouvait attirer d’autres objets à distance, d’où le mot électricité !! C’est le même phénomène quand on frotte une règle en plastique sur son pull en laine et qu’on peut alors faire adhérer des petits morceaux papier à la règle : C’est l’effet électrostatique. Evidement l’explication de ce phénomène est relativement récent. Tout le monde apprend à l’école que les atomes sont électriquement neutres car ils sont composés d’autant de charges électriques positives (que l’on représente par « +e » et que contiennent les protons du noyau par exemple) que de charges négatives (l’exemple roi étant l’électron : -e). Par exemple l’atome d’hydrogène se compose d’un proton et d’un électron, si on fait le bilan électrique: + e – e= 0.

Il faut savoir également que 2 particules ayant des charges de signes égaux (2 électrons par exemple) se repoussent et que 2 particules de charges opposées s’attirent (1 proton et un électron) en vertu de la loi de Coulomb :

Donc en frottant la règle sur son pull on vient arracher des électrons, ce qui entraîne que la règle n’est plus électriquement neutre et les petits bouts de papier neutres vont venir être attirés car il y a une différence de charge. Comme ces matériaux sont isolants, les électrons restent piégés dans les matériaux et il n’y a pas d’échange, pas de circulation : c’est statique.

On pourrait s’étendre très longtemps sur l’électricité statique mais je vais m’arrêter là car je doute que le théorème de Gauss et l’équation de Poisson intéressent  beaucoup de personnes.

Electricité…dynamique ?

Logiquement, le contraire de l’électricité statique, c’est l’électricité dynamique, mais on n’emploie pas ce mot même si ce n’est pas stupide. On parle simplement de courant électrique, car il y a une circulation, un déplacement de charges, un courant est créé, comme en mécanique des fluides. D’ailleurs la plupart des équations de la mécanique des fluides s’appliquent à l ‘électricité (j’avais déjà signalé ce fait dans un autre article il me semble).

Pour créer un courant électrique, il faut utiliser des matériaux conducteurs. On entend par conducteur la capacité des électrons à se mouvoir librement dans un matériau. Comme la nature tend toujours vers l’équilibre, s’il y a une différence dans le nombre de charges entre 2 points d’un même conducteur, les électrons vont se déplacer dans l’objectif de venir « équilibrer » les charges dans le matériau. Pour exprimer la quantité de charge en un point, on parle de potentiel électrique. Une différence de potentiel (appelé plus couramment tension électrique et se mesurant en Volt) entraîne donc un courant électrique (appelé aussi intensité se mesurant  en Ampère).

Mais il y a quelque chose d’important à retenir, on dit que l ‘électricité se propage à une vitesse proche de celle de la lumière (273 000 km/s dans le cuivre) mais attention ! Ceci n’est pas la vitesse de propagation des électrons (qui eux se déplacent lentement, à environ 60cm par heure) mais la propagation de l’information. On entend par propagation de l’information, la vitesse à laquelle le mouvement d’un électron est transmis à son petit copain électron à coté de lui. Par exemple, prenez 10 personnes en file indienne. Le premier tape sur l’épaule du second puis le second tape sur l’épaule du troisième etc. Si chaque personne est séparée de 1 mètre et que chaque personne réagit en 1 seconde pour transmettre l’information (qui ici est représentée par la tape sur l’épaule) alors l’information se propage à 1m/s alors que personne ne bouge… C’est pareil pour les électrons sauf que ici l’information se résume par bouger à droite, bouger à gauche…


Il faut dissocier courant continue et alternatif. On parle de courant continue quand une différence de potentiel fixe est créée. Dans ce cas, tous les petits électrons se mettent en marche quasi instantanément (avec une vitesse de réaction de l’ordre de la vitesse de la lumière) puis avance gentiment en file indienne. Non, c est complètement faux ils n’avancent pas en file indienne gentiment, vous avez vraiment cru que c´était aussi simple ? Une fois de plus je laisse l’explication quantique du saut de mouton de côté par soucis de simplicité.

Concernant le courant alternatif, on alterne une tension positive puis négative ce qui à pour effet de faire bouger les électrons dans un sens puis dans l’autre. Concernant le sens du courant, on le prend de manière conventionnelle un sens allant du pole positif vers le pole négatif mais s’est purement arbitraire, pour la bonne raison que par exemple des électrons (-e) sont attirés par un pole positif. Ce qu’on appelle fréquence, c’est simplement le nombre de fois que nos petits électrons se retournent et changent de sens. En France notre 50Hz signifie que à chaque seconde, les électrons changent de sens 50 fois.

C’est bien joli tout ça mais comment on fabrique l’électricité ? Peut-on la stocker ? La suite au prochain numéro.

Aujourd hui on roule au pétrole, et demain ?

Comme en ce moment je bosse dans le pétrole, je me suis dit qu’un petit article s’imposait…

Je viens de visiter la raffinerie de pétrole de Bilbao Pétronor liée à Repsol. C’est la plus grande d’Espagne sur 200Ha et 11 000 000 de tonnes traitées chaque année (voir photo). Tout le monde se dit, la fin du pétrole est pour bientôt, c’est donc la fin de l’essence pour les voitures… Mais il n’y a pas que ça, dans une raffinerie comme celle-ci, l’essence pour voiture ne représente que 40% de la production car dans le pétrole brut, il y a beaucoup de choses à extraire : Du GPL, du Butane, du propane, du propylène, du souffre, de la Nafta, des dissolvants, du kérosène pour les avions et les fusées, du fuel oil, du gasoil pour les engins agricoles et les bateaux, de l’asphalte pour construire les routes. Tout cela se vend et possède un important marché. Donc la fin du pétrole (au mieux dans 40ans) sera la fin de beaucoup de choses.

Le gros problème de notre économie super mondiale, c’est qu’elle est lente à réagir, mais surtout lente à réfléchir ! Voyons, nous avons les technologies adéquates pour fabriquer des voitures sans essence (électrique, hydrogène, eau, huile, alcool…) il suffit de passer a une assez grande échelle pour faire chuter les prix de production et donc de vente. Ce genre de véhicules serait compétitif avec nos voitures classiques, tant au niveau performance que prix. Pourquoi est-ce qu’on attend qu’il n’y ait plus de pétrole pour passer au stade industriel et non rester au stade recherche en laboratoire ??? Il est certain qu’avec une bonne participation des constructeurs automobiles on arriverait rapidement à une belle voiture. Evidemment la recherche est très développée dans le secteur automobile mais ce n’est pas pour sortir la nouvelle Mégane à Hydrogène alors que ce serait possible. Il serait logique de changer le parc automobile petit à petit avec ce genre de nouvelles technologies ! Eh bien la raison de cette attente de dernier moment s’appelle « lobby ».

Vous n’imaginez même pas ce que le changement de technologie entraîne au niveau restructuration de toute la chaîne de fabrication. Les entreprises comme Renault et PSA ne font plus que de l’assemblage de légo (suffit de regarder ma Twingo pour comprendre), toutes les pièces viennent d’une multitude d’équipementiers, les principaux étant Valéo et Faurecia. Un exemple : plus de voitures avec un moteur a explosion ça entraîne la disparition d’une centaine d’entreprises qui ne pourront pas forcement se recycler. Par exemple, l’embrayage va disparaître à coup sûr, donc toutes les entreprises fabriquant les pièces nécessaire à l’embrayage vont disparaître (de celle qui fabrique la fourchette d’embrayage comme la FAVI à celle qui fabrique tout simplement le levier de vitesse sans parler de ceux qui font les pièces mécaniques). L’économie va être chamboulée, et ceux qui sont content, ce sont les chercheurs et ingénieurs qui bossent dans les services R&D en génie électrique ou chimique, ils se frottent les mains par avance (ça tombe bien je suis ingénieur électrique dans un mois J) .



Mais le gros problème, c’est qu’il faut CHOISIR. Quel est le meilleur compromis performance/pollution/prix pour choisir la technologie du futur ? On trouvera d’un peu tout au début, et surtout, ça changera selon les pays je pense. L’Australie peut développer un véhicule solaire performant alors que les Anglais n’ont aucune chance. Les Brésiliens vont rouler à l’éthanol (grâce à leur production de canne à sucre) et les Américains avec la graisse usée des Mc Do et au Colza (on dira plutôt les biocarburants pour rester sérieux)… Pour les Européens (France, Allemagne, GB, Espagne, Rep Tchèque qui fabriquent des voitures) ainsi que les Japonais, je penche vers l’électrique. L’hydrogène parait également prometteur. Voilà mon pronostic, mais ça risque d’évoluer, et qui sait, peut être que demain on va faire une super découverte résolvant ce problème et mettant tout le monde d’accord (ça fait du bien de rêver).

Le CERN

Bon, je devais faire un article sur le CERN mais je n’ai pas le courage et le temps en ce moment donc j’ai fait une extraction de mon rapport de l’année dernière sur le CERN en question.

Notre connaissance du monde et de l’Univers n’a jamais été satisfaisante et ne le sera peut être jamais mais l’Homme a toujours été ambitieux. Pour approfondir notre connaissance de la matière et de son origine, pour sonder l’infiniment petit, les scientifiques du CERN ont décidé de construire une machine de 27 km de long à 100 mètres sous terre : le LHC, qui deviendra l’accélérateur de particules le plus puissant du monde.   

Pour réaliser ce projet titanesque, des milliers de chercheurs, d’ingénieurs et de techniciens doivent constamment innover et mettre en place des technologies de pointe. Un des principaux défis de l’accélérateur est de conserver ses aimant supraconducteurs à –272°C sur 27 km grâce à des procédés cryogéniques. Cette installation cryogénique est pilotée par des centaines d’automates exploitant plusieurs dizaines de milliers de mesures de température, de pression et de débit pour réguler l’ensemble de l’installation.



Une organisation internationale

Le CERN, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, vient de fêter ses cinquante ans. Son premier objectif était de pallier la fuite des cerveaux aux Etats-Unis en créant un laboratoire de physique regroupant les différents scientifiques des pays européens. Désormais, la mission du CERN a évolué et a dépassé toutes les attentes de ses fondateurs. Il deviendra en 2007, avec le LHC (Large Hadron Collider), le plus grand accélérateur de particules du monde. Le CERN emploie quelques 3000 physiciens, ingénieurs, techniciens et ouvriers. Il y a également 6 500 personnes de 80 pays différents qui utilisent les installations aux cours de l’année. Le CERN est dirigé par 20 pays membres européens où viennent s’ajouter 6 pays observateurs ainsi que 20 pays non membres participant aux programmes en cours de réalisation. En effet, la force du CERN réside dans son esprit international et cosmopolite. Tous les plus grands physiciens du monde peuvent travailler ensemble dans le but de faire avancer la Science et de mieux appréhender notre compréhension de la matière, de ses interactions et de notre univers.

Deux prix Nobel de physique ont vu le jour au CERN : en 1983 avec Carlo Rubbia et Simon Van der Meer pour la découverte des bosons W+, W et Z0 véhiculant la force d’interaction faible, en 1992 avec Georges Charpak pour l’invention et la mise au point de détecteurs de particules. On peut penser que le LHC permettra de nouveaux exploits scientifiques en tentant par exemple de découvrir le fameux Boson de Higgs.

Il faut également souligner que le CERN est à l’origine d’un grand nombre d’innovations technologiques dans tous les domaines techniques et dans les sciences de l’ingénieur pour parvenir à ses fins de physique fondamentale.

La physique des particules

Nos connaissances sur la matière et sur notre univers reposent sur un modèle physique appelé « modèle standard ». Ce modèle tente de décrire la matière et ses interactions à l’aide de particules élémentaires qui se divisent en 12 particules de matière et 4 particules porteuses de forces. Ce modèle a été validé par de nombreuses expériences en physique des particules ces dernières années, et notamment au CERN, mais il demeure encore des mécanismes et des phénomènes inexpliqués. Certains scientifiques veulent également dépasser ce modèle standard pour évoluer vers de nouvelles théories qui tenteraient d’unifier les différentes forces. La Théorie de la Grande Unification permettrait d’unifier les forces électromagnétiques, fortes et faibles et la théorie des supercordes voudrait unifier la mécanique quantique et relativité générale. Les
futurs données que fournira le LHC permettront peut être de valider certaines hypothèses encore non vérifiées jusqu’ici.



Une des grandes questions de ce début de XXIième siècle est : Pourquoi les particules possèdent une masse précise ? Une réponse fut formulée par Peter Higgs dans les années soixante pour que le modèle standard reste cohérent : il doit exister un nouveau Boson (dit de Higgs) avec lequel toutes les particules interagissent plus ou moins. Plus cette interaction est forte, plus la masse de la particule est importante. Personne n’a encore réussi à démontrer l’existence réelle de cette particule et c’est un des principaux objectifs du CERN en construisant le LHC. La physique des particules n’a pas pour seul but d’élaborer des théories physiques, elle intervient de plus en plus dans notre quotidien, particulièrement dans le domaine médical, que ce soit en imagerie ou en thérapie contre le cancer. Le CERN développe également ces axes de recherche, plus particulièrement pour les thérapies nucléaires contre les tumeurs profondes.

Les grandes questions que le LHC pourrait résoudre sont les suivantes :

  • Quelle est l’origine de la masse, est-ce que le boson de Higgs existe?
  • Pourquoi les différentes particules élémentaires ont-elles des masses différentes?
  • Est-ce que les neutrinos possèdent une masse?
  • Nous savons qu’une énorme partie de l’énergie (masse) contenue dans l’univers n’est pas constituée de la matière telle que nous la connaissons. Quelle est donc cette nouvelle forme de matière appelée la matière noire ?
  • Est-ce que la supersymétrie existe?
  • Est-ce que l’antimatière est une réflexion parfaite de la matière?
  • Existe-t-il d’autres dimensions, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes et si oui, peut-on les « voir »?

L’accélérateur

Le but d’un accélérateur est le même que celui d’un microscope. Son objectif est de sonder la matière, mais sous l’échelle du femtomètre (10-15 m). Il est donc impossible de « voir » directement ces particules élémentaires car pour les voir il faut de la lumière visible et celle ci possède des longueurs d’onde de l’ordre du micron supérieur à la taille des objets à observer. L’idée d’un accélérateur est de faire acquérir à des particules de matière, des électrons par exemple,  une très grande énergie en les accélérant à des vitesses proches de celle de la lumière (300 000 km/s) pour venir ensuite les précipiter entre elles ou sur une cible, c’est ce qu’on appelle une collision. Les chercheurs peuvent effectuer des collisions contre des cibles ou entre des particules pour dégager la plus grande énergie possible. Lors de ces collisions, des températures de 10 000 milliards de degrés peuvent être atteintes (dans un volume extrêmement petit).



Les chocsde particules entraînent deux phénomènes : la désintégration des particules en les transformant en énergie pure (E = m.c²)  et la « création » de nouvelles particules. Les physiciens utilisent alors des détecteurs de particules  gigantesques permettant de retracer leurs différentes trajectoires. L’étude de ces trajectoires permet le calcul de leur quantité de mouvement, leur masse, leur charge et autres propriétés atomiques. Le problème est que certaines particules interagissent très peu avec la matière et leur détection est très difficile. Pour cela, il faut développer des puissances de plus en plus importantes : Plus la particule est difficile à détecter, plus l’instrument (l’accélérateur) doit être puissant et grand. C’est pourquoi le CERN, avec son futur accélérateur, le LHC, a choisi d’accélérer non plus des électrons comme auparavant avec le LEP (Large Electron positron Collider) mais des protons, 1800 fois plus massiques. L’énergie produite par les collisions sera donc d’autant plus grande et la détection de nouvelles particules ou de nouveaux mécanismes atomiques sera alors possible.

L’accélérateur possède différents types d’aimants supraconducteurs. Des aimants dipolaires permettant de diriger les particules en courbant leur trajectoire et des aimants quadripolaires permettant de focaliser les faisceaux pour pouvoir engendrer le plus de chocs possibles lors des collisions.

Les particules suivent alors toute une chaîne d’accélération progressive pour passer finalement dans le LHC pour atteindre leur vitesse maximale, soit une énergie de 7TeV par particule correspondant à une vitesse égale à 0,999999991 fois celle de la lumière. Une fois cette énergie acquise, les physiciens les font s’entrechoquer à l’intérieur d’un des 4 détecteurs (ATLAS, ALICE, CMS, LHC-b) pour pouvoir analyser ces chocs. On peut également souligner que les neutrinos issus des collisions sont récupérés pour être envoyés sous terre à Gran Sasso en Italie, soit à 730km du CERN pour l’expérience CNGS sur les neutrinos.