Compatibilité électromagnétique - Définition

Les sources

Décharges électrostatiques (d'origine humaine)

Il s'agit d'une « source » parasite naturelle, probablement la plus répandue. Le mécanisme est le suivant :

• le corps d'un être humain (utilisateur, dépanneur, fabriquant, peu importe) est chargé par effet tribo-électrique,
• les charges accumulées se déchargent brutalement, quand une opportunité se présente : c'est la décharge électrostatique (ou DES, ou ESD en anglais).

Non seulement c'est très désagréable pour le porteur (ou la porteuse) de charges, mais, si l'objet qui a servi « d'opportunité » est d'un naturel fragile, il risque de ne pas apprécier. Les conséquences possibles pour un matériel électronique « victime » sont :

• la destruction d'un composant (en fabrication, en utilisation ou en maintenance),
• des dysfonctionnements (« plantages », pertes de données),
• des phénomènes analogiques transitoires (« clics » dans un haut-parleur, p.ex.)
• plus complexe, certaines méthodes d'immunisation d'un matériel (par exemple, une enveloppe conductrice) pourront conduire ses utilisateurs à craindre ou refuser de s'en servir, pour éviter des chocs électriques.

Le phénomène « décharge électrostatique d'origine humaine » est modélisé, dans la normalisation, par :

• un générateur d'impulsion, modèle électrique du corps humain, constitué d'un circuit « capacité + résistance », en série ; la plupart des normes font appel à un condensateur de 150 pF se déchargeant dans une résistance de 330 Ω ; ce modèle, trop grossier pour décrire intégralement l'impulsion, est complété par des caractéristiques temporelles (majorant du temps de montée, nombre et taux de répétition des impulsions, etc.)
• un modèle géométrique d'un doigt humain, servant d'électrode de sortie au générateur, accompagné d'un scénario de couplage (contact direct, couplage inductif représentant un contact sur un objet proche, etc.
• un niveau de sévérité, pouvant être la tension de charge initiale du condensateur, ou la valeur crête de l'impulsion (le générateur étant connecté sur une charge résistive de référence), variable selon le degré de précautions contre les décharges électrostatiques qu'il est raisonnable d'attendre des humains qui se trouvent à proximité.

La foudre

Avec la foudre, on ne quitte pas le domaine de la triboélectricité, on change simplement d'échelle. Un cumulo-nimbus, c'est plusieurs km³ d'un mélange d'air, de vapeur d'eau, de gouttelettes et de particules de glace, le tout brassé par des courants violents. Après quelques dizaines de minutes de ce régime, la quantité de charge cumulée est colossale. Ces charges sont réparties « au petit bonheur » dans des « poches » positives ou négatives, créant des différences de potentiel se chiffrant en mégavolts. Pour compléter le tableau, les poches situées dans la couche la plus basse créent, sur le terrain (conducteur) survolé, des zones chargées par influence, de signe opposé.

Quand le champ électrique est suffisamment élevé, une ou plusieurs poches (+ le sol) se déchargent mutuellement. Cela peut se produire

• soit parce que, de manière aléatoire, le rayon de courbure local d'une poche de charge est assez réduit pour atteindre le champ d'ionisation de l'air à l'altitude considéré, ce qui déclenche, de proche en proche, une sorte de « réaction en chaîne »,
• soit parce qu'un conducteur (avion, fusée, qu'il s'agisse d'Ariane ou d'une fusée « anti-foudre ») se promène dans le coin, avec pour effet :

• de diminuer la distance isolante entre poches de charges (donc, d'augmenter le champ électrique sur la distance qui reste),
• d'introduire des équipotentielles (bien forcé, s'il s'agit d'un conducteur…) à faible rayon de courbure (oui, c'est cela, des pointes).

Du coup, pour peu que le champ initial soit assez élevé, on est quasi-certain de déclencher une ionisation se transformant en foudroiement (on parle de foudre « déclenchée »).

Dans un cas comme dans l'autre, il faut se souvenir que la foudre est un processus naturel complexe, faisant intervenir aussi bien les lois de l'électrostatique, de l'électromagnétisme, de la thermodynamique, de l'aérodynamique, etc., etc. Il existe des modèles relativement satisfaisants du phénomène, à 1, 2 ou 3 dimensions. Et des photos de foudroiement réel qui montrent des choses beaucoup plus compliquées.

Revenons au foudroiement d'un avion de ligne, phénomène qui se produit à peu près toutes les 2000 ou 3000 heures de vol. Le « scénario de base », qui se produit « souvent » est le suivant :

• l'avion met le nez dans une zone à champ élevé, c'est donc le nez qui est foudroyé (en premier) ; de haut en bas ou de droite à gauche, ou tout intermédiaire, dans le sens de votre choix : tout dépend de la position des « poches » de charges au départ et, donc, de l'orientation du champ électrique,
• durant les dizaines ou centaines de millisecondes qu'il faut pour « vidanger » les « poches » de charges, éventuellement avec des à-coups (on n'a jamais prétendu qu'une poche de charges était quelque chose d'homogène à l'instant t…), le canal de plasma servant à écouler le courant de foudre est soumis à de multiples influences, les principales étant :

• le champ magnétique produit par le courant de foudre tend à augmenter tout rayon de courbure local et, donc, à déstabiliser, déformer, voire éclater le canal (ce champ est d'ailleurs mis à profit de cette façon dans un très astucieux type de bandes parafoudres),
• le gradient de température, qui tend à recentrer le courant « là où il fait chaud », tout déplacement physique du canal devant se payer d'un chauffage du nouveau trajet (et d'un refroidissement de l'ancien) ;

le courant est donc instable, mais avec une inertie importante ;

• et l'avion, dans tout cela ? Il continue d'avancer, avec une vitesse de l'ordre de 100 à 250 m/s : un gros avion de ligne avance de sa propre longueur en 300 ms environ, et il est donc balayé par l'arc qui, lui, reste plus ou moins fixe, selon un processus évidemment pas linéaire (ce serait trop simple) :

• à l'endroit de l'impact (en entrée comme en sortie), le courant de foudre vaporise un « petit bout d'avion » (peinture, aluminium, composite : ce qui traîne à cet endroit là), ce qui fournit une excellente électrode pour profiter du raccourci que constitue l'avion,
• au fur et à mesure que l'avion avance, ce point d'entrée s'éloigne du cheminement d'ensemble : le courant de foudre commence à faire un détour, dont la longueur augmente très vite dès que le champ magnétique s'exerce sur lui,
• du coup, le champ au début du détour se met à augmenter, suffisamment pour percer un nouveau trou (à travers la peinture s'il y en a),
• et c'est comme cela qu'une cellule d'avion touchée par un foudroiement « bien élevé », respectueux du modèle, se retrouve ornée d'un joli pointillé, avec un espacement variable en fonction de la présence et de l'épaisseur de la peinture),
• avec accrochage occasionnel un peu plus prolongé sur des « machins qui dépassent » (antenne, gouverne…)

• tout ceci jusqu'au moment où les points d'entrée ou de sortie arrivent à un cul de sac (extrémité d'aile, de dérive, etc.) : le courant de foudre, s'il existe encore après tout ce temps, finit par se rebrancher sur lui-même, sans passer par l'avion, quand le champ provoqué par la chute de tension le long du détour est suffisant pour ioniser l'air « aux bornes du détour ».

Naturellement, il existe de multiples cas de foudroiement « malpolis », qui ont refusé le modèle qu'on avait prévu pour eux.

Pour les fusées, c'est à peu près pareil, en plus vertical. Plus quelques différences :

• les gaz en sortie de tuyère d'un moteur fusée sont beaucoup plus chauds que ceux sortant d'un turbo-réacteur, ce qui les rendent faciles à transformer en canal de foudroiement,
• les fusées servant à étudier la foudre sont munies d'une « laisse » reliée à la terre, fournissant, en se volatilisant, un canal « naturel » à la foudre déclenchée.

Autres décharges électrostatiques

Si des charges électrostatiques s'accumulent sur un objet isolé, il pourra survenir une décharge électrostatique dès que le potentiel de cet objet atteindra une certaine valeur : il y aura décharge entre cet objet et un autre objet de son environnement. L'air lui-même contient des charges: Les petites charges, constituées par des ions légers, sont dues à l'ionisation des molécules gazeuses par le rayonnement UV du soleil. Des charges plus grosses sont constituées par des poussières chargées, ou par des gouttelettes d'eau chargées. Ainsi, un objet qui se déplace dans l'air peut récupérer ces charges, ce qui va faire monter son potentiel électrostatique par rapport à son environnement. Même un objet immobile mais isolé pourra récupérer des charges, si l'air se déplace. Pour toutes ces raisons, il arrive souvent qu'un objet demeuré isolé pourra générer une décharge électrostatique avec son environnement immédiat (isolateurs...). Si l'objet fait partie d'un appareil électronique, la décharge pourra avoir lieu à travers un condensateur d'isolation, et détruire ce dernier. C'est pour cette raison que les antennes des systèmes de télécommunications ne sont jamais parfaitement isolées en continu, et que les tests CEM sont également appliqués aux antennes des terminaux radio.

Quelques autres sources naturelles

Émetteurs : radiodiffusion, télévision, télécommunications, radars, etc.

Les équipements hertziens, principale source de champs électromagnétiques rayonnés sont régis par la directive européenne1999/5/CE dite RTTE

S'ils font l'objet de dérogation par rapport à la directive CEM, en particulier pour le niveau maximal d'émission (afin de remplir leurs fonctions) ils doivent apporter les mêmes garanties que les autres appareils en matière de compatibilité électromagnétique (art.3, exigence essentielle 1b de la directive RTTE).

La norme fondamentale d'immunité aux champs électromagnétiques (CEI/EN 61000-4-3) prévoit dors et déjà la possibilité d'essai jusqu'à 6 GHz, afin de prendre en compte les fréquences plus élevées des émetteurs (Wifi en 802.11a, WIMAX...). Mais, les normes produits (s'appliquant à un type de produits) limitent l'utilisation de la norme fondamentale en général jusqu'à 1 GHz ou 2,7 GHz. Une évolution à long terme est prévue pour faire évoluer la norme fondamentale jusqu'à 18 GHz. Mais, la modulation utilisée habituellement par cette norme (AM 80% 1 kHz) n'est pas représentative des équipements à large bande, même si la simple modulation AM est reconnue comme la plus perturbante envers les équipements.

Les limites d'immunité du domaine civil (et médical) sont déterminées en fonction des cas courants dans un environnement "type". Les niveaux d'immunité requis varient entre 1 V/m (en environnement protégé), 3 V/m (résidentiel), 10 V/m (industriel) et 30 V/m (exceptionnel).

Dans les domaines automobiles, aéronautiques, ou militaires, certaines spécifications exigent des niveaux d'immunité exprimés en kV/m.

Ces niveaux d'immunité des équipements permettent de fonctionner comme prévu en présence d'émetteur à proximité. La réglementation prévoit, au travers des normes produits, l'utilisation d'une catégorie d'appareil (électrodomestique, TV, industriel, téléphone...) dans un environnement "type" (résidentiel, industriel...). Toutefois, les niveaux d'immunité "type" ne permettent pas de s'assurer de l'immunité d'un appareil dans toutes les conditions dans lequel il pourrait être exceptionnellement placé.

Aussi, les niveaux limites d'immunité des équipements préconisés dans les normes civiles sont plus faibles que les limites d'exposition humaine. Ainsi, il est possible, qu'à proximité immédiate d'un émetteur (alors que celui-ci respecte la réglementation par tous ses aspects), un équipement (qui respecte lui aussi la réglementation) puisse être perturbé. Cela peut poser des problèmes pour les équipements électronique de sécurité ou support de vie.

Transitoires dans les réseaux d'énergie (dus à l'exploitation du réseau)

Dans cette catégorie, la perturbation est d'origine humaine, et est liée à la fermeture d'une grande boucle.

À titre d'exemple, il faut imaginer :

• une centrale électrique de base (par exemple, 4 tranches nucléaires, fournissant 5 GW)
• une grande ville, pour laquelle les 5 GW ne représentent qu'une partie des besoins,
• et, entre les deux, deux lignes haute tension plus ou moins parallèles, sur 1 500 km.

Hors, 1 500 km correspondent à un quart de longueur d'onde (λ/4) d'un signal à 50 Hz. Pour des raisons de maintenance, une seule des deux lignes est ouverte au raz de la centrale. Au final, une ligne aller et une ligne retour se forment et sont similaires à un circuit accordé à λ/2 : la tension fabriquée par la centrale est en opposition de phase au bout des 3 000 km de ligne par rapport à la tension provenant directement de la centrale. On peut obtenir aisément 800 000 volts efficaces, juste séparés par un interrupteur ouvert.

À la fermeture de l'interrupteur, les tensions en opposition de phase sont assimilable par la centrale comme un court circuit.

Jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre soit établi (au minimum 10 ms pour la partie apériodique), les 5 GW produits par la centrale vont être consommé (en totalité à l'instant de la fermeture) par le court-circuit dynamique.

Dans le réseau électrique européen maillé et entièrement interconnecté, ce genre de manœuvre est réalisé plusieurs fois par jour. Toutefois, la résonance n'étant jamais exacte, et la nature répartie des charges et des autres sources fournissent un amortissement. Malgré tout, à chacune de ces fermetures de grande boucle, l'ensemble du réseau européen est fortement déséquilibré durant plusieurs secondes. Les pays « en bout de ligne », jouent particulièrement le rôle de réflecteur (donc, de ventre de tension, même si aucune onde stationnaire n'a vraiment le temps de s'établir).

Ce genre de phénomène, bien qu'atténué dans la mesure du possible, laisse des traces jusqu'à l'utilisateur final. Il faut aussi ajouter à ces résidus tous les phénomènes similaires (bien qu'à échelle plus réduite) affectant les divers réseaux à tension de plus en plus basse jusqu'à l'utilisateur.

Effets indirects de la foudre

Quand la foudre tombe quelque part (ou qu'un éclair survient au sein d'un nuage), le courant produit un important champ magnétique d’impulsion, qui vient se coupler avec tous les conducteurs environnants (tous les conducteurs, pas seulement ceux que l'on a mis là dans le but d'y transmettre de l'électricité, y compris donc les réseaux de terres, masses métalliques...).

Commutations « courants forts »

L'archétype de ce genre de source est l'omniprésente « alimentation à découpage ».

Commutations « courants faibles »

La plupart des cartes électroniques modernes font appel à des circuits logiques rapides. Ces circuits intégrés et les connexions qui les associent sont le siège de courants à fronts raides, susceptibles de rayonner des ondes électromagnétiques sur un large spectre. Bien que de niveaux assez faibles, ces rayonnements peuvent en particulier perturber les récepteurs radios placés à proximité. Il suffit, pour s'en convaincre, de placer un récepteur radio à proximité d'un ordinateur... Les concepteurs de ces systèmes doivent respecter les directives CEM concernant le rayonnement des appareils, et concernant les émissions conduites qui pourraient être présentes sur les câbles de sorties de ces appareils.

Les « méchants » : IEMN, guerre électronique, armes hyperfréquences

Il faut rendre cette justice aux militaires de tous les pays : depuis Archimède et ses miroirs ardents, censés avoir incendié la flotte romaine devant Syracuse, ils ont généreusement financé de nombreuses idées de « Rayon de la Mort », avec des résultats variables (et parfois complètement inattendus, comme le Radar, s'il faut en croire la biographie de Nikola Tesla).

Parmi la multitude d'idées sérieuses ou loufoques en la matière, il y en a 3 touchant particulièrement la CEM :

• l'impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN), pas forcément si nucléaire que cela d'ailleurs,
• la guerre électronique : leurres, brouilleurs et autres attrape-radars (militaires ou civils) ou tueurs de conversation,
• la dernière mode : les armes électromagnétiques.

Impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN)

Dès 1946, le gouvernement des USA a acquis deux certitudes :

• l'URSS allait envahir le morceau de l'Europe non encore sous son contrôle, lors d'une attaque surprise pouvant intervenir d'une heure à l'autre,
• compte tenu du nombre de soldats de part et d'autres, la seule arme permettant de garantir une défaite soviétique était la bombe atomique.

L'armée américaine s'est donc lancée dans un vaste programme d'essais d'armes nucléaires. Le Nouveau Mexique, où ont explosé les premières bombes, comportant une densité d'électeurs trop élevée pour en poursuivre l'irradiation, et le Japon étant devenu un allié, ces essais ont eu lieu sur l'atoll de Bikini. Au ras du sol, sous l'eau, en l'air, bombes d'avion, obus d'artillerie ou mine : à part en suppositoire, ils ont tout essayé… Y compris deux tirs successifs dans la haute atmosphère.

Après chacun d'entre eux, il y a eu une panne électrique à Hawaï (à un bon millier de km de là, à vol de B29). Panne provoquée par une impulsion électromagnétique géante, qui, couplée aux lignes électriques, a déclenché tous les disjoncteurs. Et les responsables militaires américains se sont dit « Alors comme ça, depuis son bureau, le président pourrait éteindre la lumière à Moscou ? Cool… ». La télécommande ultime, en quelque sorte. Mais pas question de continuer les travaux pratiques, il a fallu faire de la théorie.

Et la théorie, la voici. Au fond, après coup, quand on sait ce qu'il faut chercher, c'est tout simple :

• Une bombe atomique émet des rayons ionisants. Et les rayons ionisants, ça ionise ce qu'il y a tout autour, à commencer par l'air. C'est comme ça qu'apparaît une boule de feu, « bouillie » d'électrons et de noyaux d'azote, d'oxygène et autres atomes présents sur place.
• À cause de la température et de la pression de radiation, cette boule subit une expansion rapide : des charges électriques qui se déplacent, voilà une bonne base pour créer une impulsion électromagnétique, non ?

Non. Ça ne marche pas. Les électrons (négatifs) et les noyaux (positifs) font en gros le même trajet, donc leurs effets respectifs se compensent.

• Oui, mais tout ça se passe dans le champ magnétique terrestre. Du coup, en se déplaçant, les électrons vont partir « en biais » dans un sens, et les ions positifs dans l'autre, et là, on l'a notre impulsion, non ?

Non. Ça ne marche toujours pas. Comme la boule s'étend dans tous les sens, le déséquilibre du nord sera compensé par celui du sud, celui du haut par celui du bas, celui de l'est par celui de l'ouest. On se récupère un moment dipolaire. Par de quoi éteindre la télé à 1 000 km.

• Alors ? Mais au fait, ça se passait lors de tirs à haute altitude, ce truc… Si la bombe explose assez haut, il n'y aura plus de « boule de feu du haut », vu qu'il n'y a pas assez d'air à ioniser. Et le déséquilibre de la partie basse de la boule, causé par la séparation des charges + et - par le champ terrestre, ne sera plus compensé par rien ?

Ah ? Oui, tiens, là ça marche…

Calcul de l'endroit « idéal » où faire exploser la bombe pour « arroser » tout un continent, calcul de blindage, de filtre, mesure de « tenue » des composants, communications « durcies » : voila un « fond de commerce » qui aura nourri son monde, durant 40 ans… À la « grande époque » de la guerre froide, certains stratèges américains considéraient comme acquis que tous les missiles embarqués sur sous-marin serviraient à « fabriquer » de l'IEMN à jet continu, seuls les missiles au sol étant assez précis pour détruire les « silos de la vengeance » dans les plaines américaines (seulement, voilà : les missiles au sol ont une trentaine de minutes de voyage à faire, alors qu'un sous-marin bien placé peut commencer le feu d'artifice 5 minutes après avoir « déclaré la guerre » ; ils devaient donc servir d'apéritif, pour empêcher la victime de réagir. Il faut dire que, même si on a soigneusement évité de trop en avertir les bailleurs de fond (oui, le contribuable), la vulnérabilité du réseau électrique est devenue de moins en moins évidente : avec des réseaux maillés de plus en plus grands, l'IEMN s'est vue rattrapé, en termes de pire contrainte, par la fermeture de grande boucle (voir plus haut), du moins sur le plan énergétique. Depuis, la tendance est aux vaches maigres : avec la fin de la guerre froide, les nouveaux agresseurs potentiels n'ont pas assez de bombes pour en « gaspiller » une à « faire des parasites ». La menace est donc de moins en moins crédible.

Un dernier mot sur ce genre de « gadget » : il existe un autre moyen de briser la symétrie, c'est de faire exploser la bombe au ras du sol. Ça fonctionne, mais avec un rayon d'action plus limité. On s'est d'ailleurs rendu compte que le côté « atomique » n'était pas indispensable : une bombe FAE (Fuel Air Explosive) est capable de « fabriquer » une impulsion électromagnétique.

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