Le champ électrique

La notion de champ électrique a été introduite en 1835 par le physicien britannique Michael Faraday pour tenter d’expliquer comment deux charges peuvent interagir à distance, sans que rien ne les relie. La loi de Coulomb en électrostatique et, par analogie, la loi de gravitation universelle découverte par Isaac Newton, décrivent une telle interaction à distance. Bien qu’il n’y ait aucun contact physique entre la Terre et le Soleil, ce dernier exerce pourtant bien une attraction sur la Terre. De la même façon, deux charges électriques s’attireront ou se repousseront sans que rien ne les relie, sans nécessité d’un support matériel et le tout de manière invisible !

Une charge électrique au repos crée autour d’elle un champ électrique. Elle attire ou repousse toute autre charge placée dans son champ. Un champ désigne donc l’espace où s’exerce une force : c’est la zone d’influence d’un phénomène ou d’une perturbation. Cette force d’attraction ou de répulsion s’exerce selon la direction d’une droite joignant les deux charges et appelée ligne de champ. Un relevé des lignes de champ permet de visualiser l’allure du champ électrostatique généré par une configuration donnée de charges.

Pour une seule charge (figure a), on observe :

  • des lignes de champ radiales (en rouge) répartie autour de la charge ;
  • divergentes au départ d’une charge positive mais convergentes dans le cas d’une charge négative ;
  • avec des équipotentielles concentriques (en bleu) perpendiculaires aux lignes de champ. Ces équipotentielles représentent différentes valeurs du potentiel électrique V qui décroît à mesure que l’on s’éloigne de la charge.

En présence de deux charges de signes opposés (figure b), les lignes de champ s’établissent d’une charge à l’autre tandis qu’elles se repoussent en présence de charges de signes identiques (figure c). Il est à noter que ces charges sont de même valeur, en coulomb, ce qui explique la symétrie des lignes de champ visibles sur les figures b et c.

Le champ électrique est caractérisé par la tension et la distance entre conducteurs. Il peut être créé artificiellement : prenons l’exemple d’une ampoule alimentée par la tension alternative du réseau électrique. Lorsque le fil noir et le fil bleu sont écartés d’à peine 10 cm, la valeur du champ électrique est 2300 V/m. Cette valeur sera ramenée à 230 V/m si on augmente la distance entre fils à 100 cm par exemple.

Pour rappel, le champ électrique s’exprime en V/m mais lorsque les valeurs sont trop importantes, on utilise de préférence un multiple du volt comme le kV/m (kilovolt par mètre, avec 1 kV = 1000 V).

Bon à savoir…

  • Le champ électrique est généré par une tension à laquelle il est directement proportionnel. A une distance constante, plus cette tension sera élevée, plus le champ électrique sera intense.
  • Un champ électrique peut être aisément modifié et atténué par des matériaux, même faiblement conducteurs, qui le mette à la terre. Citons, par exemple, une rangée d’arbres faisant office d’écran naturel, les murs d’un bâtiment ou un capot métallique faisant office de cage de Faraday.

Excepté lorsqu’il est relié à la terre, le branchement d’un appareil électrique à une prise de courant fait immédiatement apparaître un champ électrique de basse fréquence à 50 Hz autour celui-ci, même s’il est éteint. Lors de la mise en fonctionnement, le courant circule à travers l’appareil donnant ainsi naissance à un champ magnétique de même fréquence, en sus du champ électrique déjà présent (voir l’illustration ci-dessous) : les deux champs coexistent simultanément.

Le champ magnétique

En avril 1820, le physicien danois Hans Christian Œrsted découvre qu’un fil conducteur parcouru par un courant électrique fait dévier l’aiguille d’une boussole placée à proximité. Cette expérience prouve sans ambiguïté le lien existant entre courant électrique et champ magnétique.

Un déplacement de charges dans un conducteur forme un courant électrique I créant un champ magnétique H, exprimé en ampère par mètre (A/m). Cependant lorsqu’on étudie les champs électromagnétiques, une autre grandeur est plus couramment utilisée : c’est la densité de flux magnétique ou induction magnétique B, exprimée en tesla (T). Dans la pratique, vu l’intensité des champs magnétiques rencontrés, on utilisera plutôt un des sous-multiples du tesla à savoir le millitesla (mT), le microtesla (mT) ou le nanotesla (nT).

Le lien entre H et B est la perméabilité magnétique μ en henry par mètre (H/m) qui prend en compte les effets du champ magnétique à l’intérieur des matériaux. La perméabilité magnétique d’un matériau est la faculté qu’il possède à canaliser l’induction magnétique, c’est-à-dire à concentrer les lignes de flux magnétique et ainsi augmenter la valeur de l’induction magnétique. La perméabilité magnétique μ est le produit de la perméabilité du vide μ0 et de la perméabilité relative du matériau (par rapport au vide) μr :

Dans l’air, le vide, le cuivre, l’aluminium et d’autres matériaux, μr vaut approximativement 1, ces matériaux ne pouvant pas canaliser le champ magnétique. H et B sont donc identiques à un facteur μ0 près, la conversion étant 1 A/m = 1,25 mT.

Bon à savoir…

  • Le champ magnétique est d’autant plus intense que le courant (c.-à-d. les ampères…) est élevé. Le sens de rotation des lignes de forces (aussi appelées lignes de champ) dépend du sens de ce courant.
  • Le champ magnétique traverse presque tous les matériaux et il est très difficile (et coûteux) de l’éliminer. Toutefois certains matériaux spéciaux à grande perméabilité magnétique (par ex. le mumétal®) concentrent une partie des lignes de champ contribuant ainsi à son atténuation.

Fin de la seconde partie – Lire la suite de l’article