Archives pour l'étiquette électromagnétisme

ARVA : Appareil de Recherche de Victimes en Avalanches

Tous les skieurs de randonnée sont familiers à cet appareil qui peut sauver des vies en cas d’avalanches. 

avalanche.jpg
Trois skieurs passant devant une avalanche

Hier, j’ai participé pour la deuxième fois à la journée sécurité de la section de ski de randonnée du CERN pour s’entrainer à utiliser cet appareil. Explication de son fonctionnement ici !

Attention : ce billet n’est pas une explication de l’utilisation d’un ARVA qui est propre à chaque appareil et que tous les utilisateurs doivent connaitre avant de faire des sorties! Il est conseillé pour cela de faire des formations pratiques sur le terrain avec des professionnels.

Le terme ARVA représente en France l’ensemble des appareils capables d’émettre ou de chercher un signal électromagnétique dans le but de localiser des personnes ensevelies par une avalanche. Notez qu’en Suisse, on parle de DVA (Détecteur de Victimes d’Avalanche).

Un ARVA peut fonctionner soit en monde émission (mode par défaut pendant la randonnée), soit en mode réception pour détecter d’éventuels signaux provenant d’un autre appareil enseveli sous la neige.

 L’émission

L’ARVA émet un signal électromagnétique haute fréquence bien précis de 457 kHz (norme internationale depuis 1992). Il est équipé d’une antenne dipolaire créant un champ ,électromagnétique dans son entourage. 

arva_dipole.jpg

Lignes de champ électromagnétiques crées par un ARVA

 L’antenne est constituée d’un barreau de ferrite entouré d’une bobine électrique généralement orientée selon le plus grand côté de l’appareil. En alimentant cette
bobine par un signal électrique, on créé un champ électromagnétique. Si les piles de l’ARVA sont usées, le signal sera moins fort : il est donc indispensable d’avoir des piles bien chargées ! Pour économiser les piles, le signal n’est pas émis de manière continue mais par des impulsions brèves. La portée du signal peut variée entre 30m et 60m selon les modèles et les, piles.

arva_signal.jpg

Signal émis par un ARVA selon la norme ETS300718

 La réception

Si une avalanche se produit et ensevelie plusieurs personnes, toutes les personnes à la surface éteignent leur ARVA (s’ils sont dans une zone sécurisée) et une (ou plusieurs) personnes va passer son ARVA en position «récepteur» de manière à localiser les signaux émis par les ARVA des personnes sous la neige.

avalanche tintin

   A l’époque de Tintin, l’ARVA n’existait pas encore, mieux valait avoir un chien…

Le signal reçu est maximal lorsque les 2 antennes se rapprochent et lorsqu’elles sont parallèles (enfin lorsque l’antenne réceptrice est parallèle à la ligne de champ). La position de l’ARVA de la personne ensevelie par rapport à la position de l’ARVA de la personne effectuant les recherches est donc très importante et difficile à gérer comme on ne connait pas la position de la personne ensevelie.

Il existe des ARVA analogiques dans lesquels un « BIP » sonore augmente lorsque le signal reçu augmente (il y a en général une molette de calibrage pour obtenir un réglage plus fin). Dans ce cas, il n’y a pas d’indication de distance ou de direction et leur utilisation demande un entrainement régulier pour être efficace en situation réelle (en général, on dispose de 15 minutes pour retrouver une personne vivante).

Depuis quelques années, le marché a vu l’apparition d’ARVA numériques qui permettent d’évaluer la distance (en fonction de la force du signal) ainsi que la direction de l’émetteur grâce à une deuxième antenne réceptrice perpendiculaire à la première (voir même une troisième de manière à former un trièdre dans les 3 dimensions).

ARVA
Un ARVA analogique et un ARVA numérique

Attention : la distance et la direction données par les ARVA (analogiques et numériques) ne sont pas forcément très bonnes et peuvent induire en erreur, particulièrement pour des récepteurs à une seule antenne :

– La position entre l’antenne émettrice et l’antenne réceptrice affecte l’intensité du signal reçu. Si l’antenne réceptrice est orientée selon la ligne de champ, le signal est maximal, à 45° le signal est divisé par environ 1,4 et si l’antenne est perpendiculaire aux lignes de champ, le signal est quasi-nul !! On voit ici l’intérêt d’avoir un ARVA possédant 2 ou 3 antennes pour être sûr de toujours détecter un signal assez fort.

– Il est important de savoir que les appareils fournissant une direction et une distance sont basés sur les lignes de champ du signal reçu. Ceci implique que
la distance n’est pas la distance en ligne droite mais la distance en suivant la ligne de champ qui est courbe. De plus, la direction n’est pas la direction en ligne droite mais la direction de la ligne de champ, sachant que le sens n’est pas connu : on peut donc partir à priori dans le sens opposé, d’où l’importance de vérifier que la distance diminue bien lorsqu’on suit une direction (ne pas hésiter à faire demi-tour).

 avalanche_arva.jpg

 Evolution d’une recherche avec un ARVA

Plusieurs situations possibles selon l’orientation de la personne ensevelie :

ARVA_cas1.jpg

Personne enfouie horizontalement (le cas le plus courant) : le maximum est atteint juste au dessus de la victime (b) si on tient son ARVA horizontalement au sol et les maxima locaux ,sont symétriques (a et c).

 

ARVA_cas2.jpg

Personne enfouie verticalement (rare) : on détecte 2 maxima de part et d’autre de la victime (a et c) et un minimum juste au dessus (b) si on tient son
ARVA horizontalement au sol.

ARVA_cas3.jpg

Personne enfouis en biais (fréquent) : On détecte un maximum à proximité de la victime mais pas à l’aplomb (b) et les maxima locaux (a et c) ne sont pas
symétriques.

 Pour faire face à ces différents problèmes de recherche, il existe différentes techniques spécifiques (que je ne détaillerai pas ici, ce n’est pas le propos de ce billet) mais celles-ci demandent un entrainement vraiment régulier et allongent significativement le temps de recherche. Les ARVA équipés de plusieurs antennes de réception sont une première solution car ils permettent de gérer plusieurs directions à la fois et sont donc plus efficace lorsque la personne n’est pas parfaitement horizontale mais ils ne résolvent pas non plus tous les problèmes étant donnée que la position de l’ARVA enseveli est inconnue. Il faut simplement avoir en tête ces lignes de champ et ne pas suivre aveuglément les indications tout en évitant de « brusquer » les ARVA en les faisant tourner dans tous les sens pour ne pas les « perdre ».

Voyage au cœur de la lumière

Je remercie Alex pour m’avoir offert le dernier livre de Trinh Xuan Thuan intitulé Voyage au cœur de la lumière (aux éditions Découvertes Gallimard) pour mon anniversaire, même avec 1 mois de retard !Ce livre retrace l’histoire de la lumière, comme si cette chose insaisissable qui a toujours éveillé la curiosité de l’homme était bien vivante !! On commence avec le « Fiat Lux » de la Genèse, pour continuer avec les réflexions lumineuses des Egyptiens, des Grecs, des Arabes et des lumières dans l’Europe du XVIIIième siècle. J’ai appris avec stupeur qu’on a longtemps pensé que la lumière provenait de notre œil, ce n’est qu’à Bagdad au Xième sièle qu’Alhazen formule l’hypothèse que la lumière est extérieure à l’homme !

Le deuxième chapitre expose brièvement l’opposition onde-corpuscule de la lumière en résumant toute l’histoire de la recherche de la nature de la lumière. Pourquoi se comporte t-elle parfois comme une onde (expérience des fentes d’Young) et parfois comme un corps (photons quantifiés) ? On démarre avec Huygens qui est le premier a formuler une théorie ondulatoire de la lumière, c’est aussi le premier à mesurer sa vitesse qu’il établi correctement autour des 300 000 km/s en 1678. On parle ensuite de Maxwell avec sa théorie électromagnétique  puis on bascule dans la physique quantique en
mentionnant les célèbres Einstein, Planck, Bohr et Feynman.



Le troisième chapitre parle astrophysique et cosmologie, les illustrations sont tout simplement époustouflantes et on a vraiment l’impression d’être un petit photon qui gambade dans l’Univers. On sent bien ici que Trinh Xuan Thuan est astrophysicien et il sait transmettre sa passion du cosmos au lecteur. Il fait bien évidemment référence au Big-Bang, au rayonnement fossile et à toute cette masse sombre et cette énergie noire qui baignent notre Univers mais qui ne nous envoie malheureusement pas de lumière !!

Le dernier chapitre, quant à lui, retrace l’apprivoisement de la lumière par l’homme. De la torche au LASER en passant par la lampe à huile, à pétrole et à gaz. La lumière commence à remplacer petit à petit l ‘électronique et devient la base de toutes les technologies.

On retrouve également en fin d’ouvrage divers textes historiques de Descartes, Huygens, Newton, Einstein et d’autres… En bref, je vous conseille cette lecture passionante, que vous soyez un lecteur averti ou non !

La nature de la lumière ou l’électromagnétisme

 On entend souvent: « La lumière est une onde électromagnétique ». Ce qui est vrai dans un sens mais la nature est subtile et cette définition de la lumière est insuffisante. La lumière peut être assimilée à une onde électromagnétique dans une certaine mesure mais tous les phénomènes observée ne peuvent être expliqués par cette onde.

La physique quantique nous explique que la lumière peut être assimilée, soit à une onde, soit à des petits corpuscules (appelé photons) selon les expériences réalisées: c’est la dualité onde-corpuscule. Je n’irai pas plus loin dans l’explication quantique, je vous propose ici une tentative d’explication de cette « onde » qui se prétend « électromagnétique ». Quelques équations sont écrites mais n’ayez pas peur.

 Le mot « électromagnétisme » est un mélange d’ électricité et de magnétisme.

  •  L ‘électricité, est défini en physique, comme un déplacement d’électrons. Pour une description plus approfondie, voir un billet précédent intitulé L’électricité
  • Le magnétisme a été défini dans le billet précédent : Le magnétisme

 Maintenant, fusion et interaction des deux phénomènes : la théorie électromagnétique, établie par James Maxwell vers 1860, eh oui, cela ne date pas d’hier. Outre Maxwell, on compte un grand nombre de génies qui ont contribués à cette grande théorie :Lorentz, Gauss, Ampère et Faraday !!

 L’électromagnétisme est une théorie d’unification. Cela veut dire qu’à partir des mêmes équations, tous les phénomènes électriques et magnétiques peuvent être expliqués. Le but étant évidemment de faire interagir les phénomènes avec un minimum d’équations. Pour l’électromagnétisme il y a juste 4 équations aux dérivées partielles (les fameuses équations de Maxwell), qui s’écrivent à l’aide de quelques lettres uniquement mais qui renferment une quantité incroyable d’informations. Maxwell lui même ne soupçonnait pas tout. C’est grâce à l’électromagnétisme qu’est né la théorie de la relativité restreinte d’Einstein. L’existence des ondes électromagnétique était contenu dans ces équations.

Ecrit de cette manière on ne le voit pas, mais la vitesse de lumière est cachée dedans. Le coefficient du deuxième terme de l’équation (4) est égale à e0.m0. Ces deux constantes représentent la permittivité électrique et la perméabilité magnétique du vide. Peu importe leurs significations physiques, retenons juste que la première (e0, prononcez epsilon zéro) se rapporte aux phénomènes électriques et la deuxième (m0, prononcez mu zéro) aux phénomènes magnétiques. Ce sont 2 constantes intrinsèques au vide, et ce qui est « magique » c’est que la vitesse de la lumière dans le vide (représentée par la lettre ‘c’ comme célérité) découle directement de ces 2 constantes (étonnant non ?)

Désormais, c’est la vitesse de la lumière (c) et la perméabilité magnétique (m0) qui permettent de calculer la permittivité électrique e0 car c et m0 peuvent être mesurés avec une grande précision expérimentalement. On peut « sentir » ici, juste en regardant ces dépendances entre grandeurs, que la lumière est directement liée à l’électricité et au magnétisme.

On parle d’interaction électromagnétique car une particule chargée se déplaçant à une certaine vitesse interagit avec le champ électrique ET avec le champ magnétique. Le champ électromagnétique entraîne une force électromagnétique F appelée force de Lorentz qui est la somme de la force électrique et de la force magnétique (dite de Laplace) : F=qE + qv x B.

Si on a un champ magnétique et un champ électrique perpendiculaires l’un à l’autre et que ces 2 champs oscillent, on obtient une onde, appelée onde électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière : c’est tout simplement LA lumière !!

Cette onde est caractérisée (entre autre) par sa longueur d’onde (appelé l, prononcez lambda) qui est la distance entre 2 crêtes. Cette longueur, peut varier de plusieurs mètres jusqu’à quelque cent millième de milliardième de mètre, l’ensemble de ces longueurs s’appelle un spectre et celui des ondes électromagnétiques est décomposé en 7 grandes tranches selon la taille de la longueur d’onde :

  • Plus de 10cm, ce sont nos ondes radio. Ce sont elles que votre antenne de voiture capte pour écouter de la musique.
  • Entre 1mm et 10cm, ce sont les micro-ondes qui permettent de chauffer votre café le matin dans votre four micro-onde (si vous en avez un, pas comme moi).
  • De 1 à 500 millionième de mètre, ce sont les infra-rouges. Votre corps en dégage par rayonnement, c’est comme ça dans les films que le héros peut ‘voir’ des personnes à travers les murs.
  • De 400 à 700 milliardième de mètre, c’est la lumière !! Oui notre fameuse lumière qu’on cherchait est en fait une onde électromagnétique ayant une certaine longueur d’onde. Nos yeux sont en fait capable de détecter uniquement ces ondes électromagnétiques. Cette plage de longueur d’onde va du rouge au violet.
  • De 10 à 400 milliardième de mètre, ce sont les ultra-violets. Ceux que nous envoie le Soleil peuvent provoquer des coups de soleil.
  •  Entre 10 et un centième de milliardième de mètre, ce sont les fameux rayons X. Ces ondes électromagnétiques sont utilisés dans les hôpitaux pour faire les radios car nos os arrêtent ces ondes mais le reste de notre corps.
  • Pour des longueurs encore plus petites, ce sont des ondes très énergétiques, appelé rayons gamma. Ils sont en général produit par des processus nucléaires et accompagne la radioactivité.

Il faut bien comprendre que tous ces rayonnement ont le même support et proviennent du même phénomène : l’électromagnétisme. On voit ici que ces ondes font parties de notre quotidien, ne serait-ce que pour « voir », il me semble donc important que monsieur tout le monde ai une petite idée, même si elle est un peu fausse ou pas très juste, de ce qu’est une onde électromagnétique

Le LASER

Depuis la fin des années 60, les lasers ont envahi notre quotidien et notre industrie. Que ce soit dans les procédés de découpe ou de soudure, les méthodes de lecture de l’information, les méthodes de guidage, les moyens de communication, les systèmes de mesure, les techniques de sondage de la matière, la médecine, les films de science-fiction: ils sont omniprésents, mais qu’est-ce qu’un laser exactement? Comment fonctionnent t-ils ? Y a-t-il plusieurs sortes de laser? Où sont-ils utilisés? C’est ce que je vais essayer de détailler dans ce billet.

Pour l’étymologie, le mot « laser » est un acronyme anglais. Un laser est un dispositif permettant une amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, soit en anglais, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: L.A.S.E.R. La définition courte qui revient souvent est la suivante : Dispositif émettant de la lumière très cohérente, grâce au processus d’émission induite. L’acronyme et cette définition sont quelque peu absconses à première vue, essayons de détailler les différents mots et concepts…


La première apparition du LASER au cinéma en 1964 dans le James Bond
GoldFinger.


Le principe de base
Le principe physique utilisé dans les lasers est l’émission stimulée (on parle aussi d’émission induite). Ce principe est issu de la physique quantique et a été décrit la première fois par un certain Albert Einstein en 1917 dans un article intitulé « sur la théorie quantique du rayonnement ».  L’émission stimulée est apparentée à deux autres phénomènes quantiques: l’absorption et l’émission spontanée.

Pour introduire ces concepts, un petit rappel de l’atome est nécessaire: il existe un modèle de l’atome appelé le modèle de Bohr dans lequel l’atome est composé d’un noyau contenant des nucléons (protons+neutrons) et les électrons gravitent autour sur des orbites bien définies (ce n’est qu’un modèle car les électrons ne possèdent pas vraiment de trajectoire dans la théorie quantique).

Les électrons se trouvent obligatoirement sur une de ces orbites prédéfinies. Chaque orbite possède une énergie propre qui est quantifiée (on parle alors de niveaux d’énergie). Si on considère 2 niveaux d’énergie (2 orbites) ayant respectivement des énergies E1 et E2 avec E1 < E2 et que l’on apporte une énergie dE = E2-E1 à un électron qui se trouve dans le niveau E1, il peut « sauter » au niveau E2. La réciproque est également vraie.

Voici une brève illustration en BD. Le « bonhomme » jaune est un photon, le «  »bonhomme » bleu est un électron, et les 2 étages représentent 2 niveaux d’énergie (2 orbites) d’un atome.

 L’absorption (stimulée). Un photon est envoyé sur l’électron d’un atome (1), ce dernier absorbe le photon (2) et emmagasine ainsi son énergie, ce qui lui permet de « sauter » au niveau supérieur. L’électron est alors excité (3).


L’émission spontanée. Un électron excité (1) peut perdre spontanément son état d’excitation en émettant un photon (2) pour retrouver son état d’énergie inférieur (3). Dans ce cas, le photon est émis dans une direction aléatoire.


L’émission stimulée. Un photon est émis vers un électron excité (1). L’électron, « bousculé » par le photon incident, libère un deuxième photon exactement égal au premier (2) et retombe dans son état d’énergie inférieur (3). Le photon émis possède la même fréquence, la même direction, la même phase et
la même polarité que le photon incident: on dit qu’ils sont dans le même état.


L’effet laser
Imaginez maintenant qu’on se serve des 2 photons identiques issus de l’émission stimulée pour exciter 2 autres atomes, on obtiendra alors 4 photons dans le même état et ainsi de suite par effet cascade: c’est l’effet laser. Les photons émis  constituent une onde électromagnétique ayant une fréquence propre. On peut donc obtenir un rayon laser lumineux (dans le spectre visible) mais également  des rayons micro-ondes, infra-rouges, ultraviolets ou X. V. On comprend aisément que dans l’effet laser, il y a eu amplification de l’intensité lumineuse et tous les photons sont dans le même état, on parle alors de lumière cohérente. La caractéristique même du laser est cette cohérence de la lumière où tous les photons sont dans le même état (direction, fréquence, polarisation, phase). Comme la fréquence de l’onde lumineuse correspond à une couleur (dans le spectre visible), on obtient un rayon très directionnel d’une couleur unique très pure. La couleur en question dépend de l’atome de base que l’on a utilisé car
la fréquence de la lumière émise est fonction de la distance entre les 2 niveaux d’énergie entre lesquels les électrons « sautent ».
Le fonctionnement d’un laser
Un laser est composé de 4 organes principaux :

  1. Le milieu actif du laser : il est composé des atomes que l’on va venir exciter (ou pomper). Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux.
  2. Une source de pompage : elle permet d’exciter les atomes du milieu actif en injectant de l’énergie. Cette source peut être d’origine électrique ou lumineuse (un autre laser par ex).
  3. Un miroir qui réfléchit tous les photons incidents.
  4. Un miroir semi-réfléchissant qui laisse passer entre 1% et 10% des photons incidents et réfléchit le reste du rayonnement.

Le principe de fonctionnement du laser est le suivant (voir illustration ci-dessous) :

  1.  Le milieu actif est au repos.
  2. Le milieu actif est excité par une source de pompage externe. Pour obtenir une amplification, on doit faire en sorte que le maximum d’atomes soient excités pour qu’ils puissent provoquer le maximum d’émissions stimulées car les atomes non-excités sont susceptibles de faire une absorption de photons qui va à l’encontre de l’amplification. On dit qu’il doit y avoir une inversion de population (il doit y avoir plus d’atomes excités qu’au repos).
  3. Une partie des atomes excités se désexcite provoquant un faible rayonnement de photons cohérents.
  4. Grâce aux miroirs, le rayonnement est réfléchi et est amplifié par effet cascade, le rayonnement oscille dans le milieu actif qui constitue alors une cavité. Une faible partie du rayonnement est émis vers l’extérieur par le miroir semi-réfléchissant sous forme de rayon laser exploitable.

Les types de lasers

On peut séparer les lasers selon leur mode de fonctionnement et le type de milieu actif qu’ils utilisent (solide, liquide, gaz, semi-conducteur, …).Il existe deux modes de fonctionnement distincts :

  • Soit la source de pompage donne de l’énergie au milieu actif en permanence pour réexciter les atomes désexcités par émission stimulée. On obtient alors un rayon laser continu à la sortie.
  • Soit la source de pompage fonctionne de manière pulsée. Pendant un pulse, un rayon laser très bref est produit, la durée peu aller de quelques femtosecondes (millionième de milliardième de secondes) à quelques millisecondes. Ce mode de fonctionnement permet la création de rayons laser très brefs et plus puissants.

Les lasers solides (dit cristallins) peuvent fournir des puissances de l’ordre du kW en régime continu et des pics de puissance avoisinant le GW en régime pulsé.

Voici les 2 types de lasers les plus courants :

Les lasers Nd-YaG. Le milieu actif est un solide, plus précisément un cristal de grenat d’yttrium aluminium dopé au néodyme (neodymium-doped yttrium aluminium garnet). La source de pompage est en général une lampe flash (un stroboscope) fournissant des flashs lumineux puissants au milieu actif pour exciter les atomes. Le rayon obtenu se situe à 1065 nanomètres (infra-rouge), il n’est donc pas visible à l’œil nu (spectre visible entre 400 et 700 nanomètres). La puissance maximale est d’environ 5kW en régime continu et 25kW en régime pulsé. Le gros avantage de ce laser est que le rayon laser produit peut être très facilement transportable dans des fibres optiques à cause de sa longueur d’onde. Il sont utilisés en ophtalmologie, en médecine esthétique,  en gravure, découpe, soudure et perçage. La fréquence de l’onde lumineuse peut également être doublée pour fournir un rayon laser dans le spectre visible de couleur verte (532 nanomètres).

–  Les lasers CO2. Le milieu actif est en général un mélange de différents gaz (dioxyde de carbone, azote, hydrogène et hélium). Ces lasers peuvent fournir de grosses puissances (plusieurs centaines de kW et jusqu’à 1GW avec des systèmes amplificateurs) et sont très utilisés dans les techniques de marquage et gravure mais également en découpe, en soudure et en chirurgie plastique. Les lasers CO2 fournissent un rayon ayant une longueur d’onde de 10,6 micromètres (milieu infra-rouge): le rayon n’est donc pas visible à l’œil nu.

Les différentes applications
Les applications du laser sont très nombreuses. Le laser a permis de remplacer bon nombre de procédés en améliorant la précision et l’efficacité tout en étant moins invasif. Voici une énumération non exhaustive :
 
Médecine
-Ophtalmologie : découpes
-Dermatologie : épilation
-Dentisterie : nombreuses applications, remplacement de la « fraise »
-Chirurgie plastique : découpe, resurfaçage,…
 
Industrie
-Soudure
-Découpe
-Perçage
-Décapage
-Marquage
-Gravure

Armement
-Anti-missile (au sol ou aérien)
-Désignateur laser : source laser permettant de guider un projectile (missile) ou de faciliter la visée à l’aide
d’un pointage laser sur les armes légères.

 
Technologies de l’information
-Télécommunication par fibres optiques
-Lecture/enregistrement sur support optique (CD, DVD, …)
-Télémétrie : Mesure de longueurs ou de vitesses à distance
 
Matériaux
-Spectroscopie : analyse des spectres lumineux
-Ellipsométrie : analyse de surface de matériaux

Physique quantique
-Refroidissement par pompage laser : permet de refroidir des atomes à des températures très proches du zéro absolu.
-Manipulation de photons pour leur étude et la réalisation d’expériences

Si vous désirez plus d’informations scientifiques sur les lasers, vous pouvez trouver de bons cours niveau Licence, Master ou Doctorat à l’adresse suivante : http://icb.u-bourgogne.fr/universitysurf/ressources-laser.html

Le magnétisme

On m’a demandé quelques renseignements le mois dernier sur le magnétisme et l’électromagnétisme. J’en profite donc pour faire une petite introduction au magnétisme permettant ensuite d’introduire dans un prochain billet l’électromagnétisme.

Le magnétisme est subtil à saisir. Pour une personne n’ayant pas été trop contaminée dans sa jeunesse par les sciences, quand elle pense à magnétisme, elle voit en premier un aimant permanent, ces petits magnets (en anglais) qui se collent sur le réfrigérateur.

1magnet.jpg
Ces aimants permanents sont constitués d’un matériau magnétique dur ayant comme caractéristique de générer un champ magnétique permanent. Ah… Encore un mot qui fait peur : champ magnétique. Voilà mon explication, qui me paraît ni trop compliquée, ni trop fausse : un champ magnétique possède une intensité (qui se mesure en Tesla) et une direction dans l’espace en exerçant une force sur les objets qui « baignent » dans ce champ. C’est comme une rivière qui coule : elle coule dans une direction avec une certaine force entraînant avec elle le sable, les poissons, les nageurs… Le champ magnétique est créé, non par une source d’eau, mais par des aimants, des électroaimants et des déplacements de charges électriques. Un électroaimant est une bobine de fil conducteur (comme du cuivre) dans laquelle circule un courant. La circulation de ce courant dans la bobine produit un champs magnétique.

Le champ magnétique entraîne (entre autre) 4 phénomènes importants :

  • La force de Laplace. Le champ produit une force qui s’exerce sur les charges électriques en déplacement. C’est grâce à cette force que l’on vient modifier la trajectoire des particules chargées électriquement (électrons, protons…) dans les accélérateurs de particules et les détecteurs. Pour les matheux, F= qv x B où ‘F’ est la force en question, ‘q’ est la charge électrique, ‘v’ est la vitesse de la charge, ‘B’ est le champs magnétique et le symbole ‘x’ est un produit vectoriel.
  • Le ferromagnétisme est le phénomène qui permet de rendre fortement magnétique certains  métaux lorsque ces derniers sont soumis à un champ magnétique. Il existe des matériaux magnétiques doux  (Fer, Cobalt, Nickel…) qui s’aimantent et se désaimantent facilement et des matériaux magnétiques durs (Néodyme-fer-bore, samarium-cobalt) qui ont ensuite une aimantation permanente, ce sont nos petits aimants de réfrigérateur. Le paramagnétisme. On peut considérer les atomes comme de petits aimants permanents (l’explication quantique vient du fait que les atomes possèdent un spin et un moment orbital cinétique dû aux électrons, le spin nucléaire
    est quant à lui négligeable). Lorsqu’un champ magnétique est appliqué sur ces matériaux (Aluminium, Sodium, Uranium, Calcium, Mathésium, Lithium…), tous les atomes de ces matériaux vont venir s’aligner dans la direction du champ magnétique.
  • Le diamagnétisme. Lorsque un matériau, quel qu’il soit, est soumis à un champ magnétique, un champs magnétique inverse est alors créé par ce matériau. Ce champ magnétique résultant est proportionnel mais très inférieur au champs magnétique appliqué, ce phénomène est toujours masqué par le ferromagnétisme et le paramagnétisme. Il existe néanmoins une exception : les supraconducteurs. Dans ces matériaux, le diamagnétisme est parfait. Cela veut dire que le champ magnétique créé par un supraconducteur est égal au champ qu’on lui a appliqué, c’est ainsi que l’on peut faire léviter un aimant permanent au dessus d’un supraconducteur (la photo est réalisée sans trucage) !!!

1levitation.JPG
Voilà pour les raisons et les effets des champs magnétiques. On parle également de champ magnétique terrestre ou solaire, qu’est-ce donc ?

Notre belle planète bleue (bleue pour longtemps encore j’espère bien que ce soit mal barré), possède un noyau métallique liquide (de fer et de nickel) qui bouge. On obtient donc des électrons qui se déplacent, un courant électrique est ainsi créé dans une boucle conductrice se déplaçant dans un champ magnétique : c’est l’effet dynamo. Notre planète est une dynamo géante ! C’est une force mécanique (le mouvement du noyau liquide) qui induit une force électromagnétique. Le phénomène qui peut paraître simple en apparence est en fait très complexe et de nombreux scientifiques travaillent sur des simulations numériques de ce phénomène encore mal compris, on appelle cela la magnétohydrodynamique.


1terre_magnetique.jpg

De plus, le champ magnétique de la Terre aurait tendance à s’inverser, parfois stable pendant 100 000 ans, parfois pendant plusieurs millions d’années, ce phénomène est également encore mal compris. Ce champ magnétique est de 47 millionième de Tesla en France, relativement élevé. On peut assimiler la Terre à un aimant droit permanent, ayant un  pôle nord et un  pôle sud. On utilise le mot «  pôle nord » à tort car ce que nous appelons généralement le « pôle nord » sur nos cartes est en fait le « pôle sud magnétique» de la planète. On le constate bien sur une boussole ou le « pôle nord » de l’aiguille (qui est généralement rouge) s’oriente vers le « pôle sud magnétique » de la planète que nous avons appelé par erreur historique « pôle nord » !!

Electricité…la suite

Voici la suite de l’article précédent sur l’électricité

Production

L’électricité est une énergie, on peut donc transformer une énergie quelconque en énergie électrique et vice-versa (voir article Energie et Puissance).



Généralement, l’électricité est toujours produite grâce à une énergie mécanique sous forme de couple, c’est-à-dire à partir d’un mouvement rotatif (sauf dans le cas des panneaux solaires photoélectriques). Cette énergie mécanique est alors transformée en énergie électromagnétique puis électrique grâce à une machine synchrone (un alternateur). Pour créer cette énergie mécanique, on utilise dans la plupart des cas une turbine (voir photo du haut) qui est entraînée par le passage de vapeur d’eau. La vapeur d’eau est générer en faisant bouillir de l’eau grâce à de la chaleur produite par une énergie primaire (réaction de fission nucléaire ou pétrole, charbon et gaz naturel dans les centrale thermique). La turbine peut aussi être entraîné directement par une énergie primaire comme le vent (pour les éoliennes) ou des chutes d’eau (pour les barrages).

Une fois cette énergie électrique créée, il faut la transporter, l’acheminer chez les clients (distribution) et l’utiliser car on ne peut pas la stocker !! Il existe en effet des batteries mais les résultats sont très médiocres et on ne peut pas stocker de grandes quantités.

Transport

En général à la sortie des centrales, on élève la tension, à 400 kV (400 000 Volts) grâce à un transformateur pour réduire l’intensité et donc diminuer les pertes Joules lors du transport (Voir article Les supers états : Supraconductivité et Superfluidité). Il existe plusieurs réseaux Hautes Tensions en France permettant de transporter toute cette énergie : 21 000km de lignes 400kV, 26 000km de lignes 225kV, 1 065km de lignes 150kV, 15 000km de lignes 90kV, 35 000km de lignes 63kV. Viennent ensuite les réseaux Moyennes Tensions 20kV et les Basses Tensions 380V, 220V. C’est l’entreprise de service publique RTE (Réseau de Transport Electrique) depuis 2000, ancienne filiale d’EDF, qui gère cette tache. Vous pouvez d’ailleurs suivre en temps réel sur leur site la consommation électrique en France : http://www.rte-france.com/htm/fr/accueil/courbe.jsp. Pour information, en 2005, la consommation intérieure d’électricité en France s’est élevée à 482,4 TWh (milliards de kWh). Le record de consommation en France a été atteint le 27 janvier 2006 à 18h58, avec 86 280 MW.



Distribution

Toute cette électricité est ensuite distribuée chez les industriels et les particuliers. Les industries et grandes entreprises sont généralement alimentées directement en 20kV, voir en 63kV pour l’industrie lourde et possèdent leur propre transformateur et réseau de distribution. Les particuliers et petites entreprises sont alimentés en 380V triphasé ou 220V monophasé.

Monophasé ou Triphasé ?

Ah oui, je n’ai pas parlé du monophasé et triphasé… Eh bien en général l’électricité est produite et transportée en triphasé pour des raisons de commodité. Ce terme un peu bizarre à priori signifie que l’électricité est supportée par 3 fils (appelé phases) ou les tensions et les courants sont déphasés de 2π/3. Explication : comme on travail en courant alternatif sinusoïdal 50Hz, le signal électrique se répète toutes les 20ms (une période égal 20ms). Chacune des trois phases est retardée l’une par rapport à l’autre d’un tiers de période, soit 6.66ms. Sur le dessin ci-dessous, la courbe jaune est la première, puis la bleue est retardée d’un tiers de période et la rouge est décalé de deux tiers de période par rapport à la jaune.



Il y a 99% des alternateurs qui fonctionnent en triphasé et produisent naturellement ce type de tensions et courants. De même, la majorité des équipements industriels fonctionnent en 380V triphasé (moteurs, aspirateurs, compresseurs, fours…).

Le monophasé des maisons signifie que l’on utilise uniquement l’une des 3 phases (le fil marron de vos prises de courant), l’autre fil étant neutre (le fil bleu). Un troisième peut être utilisé pour raison de sécurité, c’est le fil de Terre (jaune et vert) qui permet une connexion électrique entre la carcasse métallique de votre appareil et la Terre pour éviter de se prendre « un coup de jus » en touchant votre machine à laver par exemple. En fait ce fil aboutit à un grand piquet en fer planté dans la terre et permet le passage des électrons éventuels de la carcasse jusqu’à la Terre. Le potentiel de la carcasse est donc le même que la Terre, et par définition au même potentiel que votre corps : Pas de différence de potentiel : pas de tension : pas de coup de jus.

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.