Qu’est-ce que la foudre ?
Histoire de la foudre
La nature électrique de la foudre est établie depuis que la suggestion de Benjamin Franklin a permis à François d’Alibard d’en apporter la preuve en 1773.
Après avoir été un sujet de curiosité, les expériences scientifiques se sont multipliées. Ainsi, en quelques décennies, les découvertes les plus capitales ont fondé une science qui n’a pas encore aujourd’hui, dévoilé tous ses mystères : l’électricité atmosphérique.
La protection contre « le feu du ciel », un fléau connu depuis toujours, jeta ses bases dès les premières découvertes. La fameuse « tige de Franklin » inventée très tôt après ces expériences, reste de nos jours la référence à laquelle toute nouvelle méthode de protection se doit d’être comparée.
Explication scientifique
Les mécanismes d’électrisation du nuage restent encore mystérieux, même si différentes théories décrivent déjà partiellement la réalité.
La théorie de précipitation est actuellement la plus admise. Selon cette théorie, les grosses particules qui constituent le nuage (gouttes de pluie, cristaux de glace, particules de grésil) tombent sous l’effet de la gravitation et entrent en collision avec les fines particules d’eau et de glace qui forment le brouillard et sont en suspension. Il résulte de ce choc une séparation des charges qui, selon la température, accorde une charge « plus » au grêlon ou au brouillard. La température d’inversion Tr vaut environ -15°C et se situe à 6000 m.
Ce processus a pour effet de créer une structure tripolaire.
La première phase d’un coup de foudre est toujours le développement d’un système de précurseurs ou traceurs, ou leaders, pré-décharges faiblement lumineuses, de vitesse de propagation de l’ordre du 1/1000ème de la vitesse de la lumière.
Quatre étapes sont généralement distinguées dans le déroulement d’un coup de foudre négatif :
- La phase d’initiation conduit essentiellement à la fixation du point d’impact d’où son importance.
- La phase d’arc en retour ou « return stroke » s’établit dès que le système de précurseurs émanant du nuage et du sol a établi un intervalle d’air ionisé. Elle est caractérisée par un courant impulsionnel intense, dont la valeur crête peut atteindre plusieurs dizaines de kilo ampères. C’est cette phase qui donne naissance aux phénomènes électrodynamiques et de couplage les plus importants.
- La phase de courant persistant fait suite au premier arc en retour. Un courant de quelques centaines d’ampères se maintient en permanence. C’est ce courant qui va provoquer les effets thermiques les plus importants.
- La phase des « décharges subséquentes » est constituée d’arcs en retour, mais dont les temps de montée sont plus raides que pour l’arc en retour initial. Ces décharges ont des effets électromagnétiques très importants.
La durée totale du phénomène peut atteindre et même dépasser la seconde.
[SinglePic not found]Le courant de décharge :
- Courant impulsionnel jusqu’à 200 kilo-Ampère (probabilité d’un courant de foudre à 200 kA = 1%)
- Valeur crête moyenne = 25 à 30 Ka
- Courants multiples dans un coup de foudre
- Temps de montée, environ 10 micro-secondes
Effets thermiques
Ce sont les effets de fusion au point d’entrée du courant de foudre dans un conducteur électrique (ou équivalent).
Un coup de foudre exceptionnel est capable de percer des tôles de 2 à 3 mm.
Effets électro-dynamiques
Ces effets apparaissent dès qu’un fort courant circule dans un conducteur.
Ils peuvent être soit attractifs, soit répulsifs suivant la disposition des conducteurs.
Ces effets peuvent atteindre plusieurs centaines de Newton.
Le modèle électro-géométrique
La connaissance actuelle des phénomènes physiques mis en jeu par la foudre a permis d’élaborer une méthode de détermination de la zone de protection d’une tige verticale ou de fils tendus horizontalement, elle permet également de définir la taille maximale des mailles d’une cage.
Cette méthode est basée sur une connaissance approfondie du mécanisme d’impact de la foudre, et est mise en œuvre au moyen d’un modèle mathématique appelé modèle électro-géométrique.
Le modèle électro-géométrique suppose une distance d’amorçage identique, quels que soient les objets considérés. En réalité, la physique du phénomène de développement de la décharge de capture (ou décharge ascendante) laisse très fortement suggérer que cette décharge se développe difficilement à partir d’un objet peu conducteur, tel par exemple un mur de briques ou de pierres.
Bien que ce modèle ne soit pas parfait – bien des incertitudes subsistent – il constitue néanmoins l’approche la plus cohérente de la protection contre la foudre qui ait été élaborée à ce jour. Il permet entre autres d’expliquer pourquoi la foudre peut tomber au pied d’une tour, donc d’expliquer certaines défaillances de la protection et montre que la zone de protection dépend de l’intensité de crête du courant qui va s’écouler par le coup de foudre.