Chapitres
- 01. Analyse du problème
- 02. L'énergie électrique
- 03. La différence entre l'électrocution et l'électrisation
- 04. Repérer les symptômes
- 05. Déterminer la gravité de la blessure
- 06. La résistance du corps humain
- 07. Éviter les mises en danger
- 08. Les cas en France
- 09. Réalisation d'un exercice type examen
- 10. Validation des données
- 11. Rappels
Analyse du problème
- Les conducteurs sont les milieux possédant des charges libres : métal, électrolyte, semi-conducteur, plasma. On étudie ici la propagation dans un conducteur métallique. La propagation dans un plasma sera étudiée dans le cours qui suit.
- La lumière ne traverse pas un miroir malgré la très fine couche d'argent : L'onde est très fortement atténuée.
- La propagation d'une onde électromagnétique est décrite par les équations de Maxwell. Dans le cas de la propagation dans un métal, il faut tenir compte du courant de conduction, qui s'exprime grâce à la loi d'Ohm.
- L'onde étant atténuée, l'équation qui décrit la propagation de l'onde fait donc intervenir un terme de dérivée simple par rapport au temps.
L'énergie électrique
- Les résistances électrique qui transforment l'énergie électrique en chaleur ;
- Les moteurs qui transforment l'énergie électrique en un travail mécanique ;
- Les lampes qui transforment l'énergie électrique en rayonnement lumineux et en chaleur ;
- Ou encore les systèmes électrotechniques ou les systèmes électroniques.
Le transport de l'énergie électrique, quant à elle, peut se faire grâce à l'utilisation d'un conducteur électrique comme le métal ou encore une solution ionique. L'inconvénient de l'énergie électrique, c'est qu'elle ne peut pas être stockée en grande quantité. En effet, nous ne sommes en mesure de stocker que de petites quantité de charges électriques sous forme d'énergie appelée électrostatique. Dans ce cas, on utilise couramment des condensateurs. En électricité, il n'est pas correct de parler d'énergie électrique. En effet, cette expression représente plutôt une commodité de langage permettant de signaler que l'électricité nécessite mais transporte également de l'énergie. Pour stocker de l'énergie qui a été fournie via un transfert électrique, il est nécessaire de faire appel à un convertisseur qui est capable de stocker l'énergie reçue sous la forme d'énergie chimique comme c'est le cas avec les accumulateur ou sous la forme d'énergie mécanique ou potentielle comme cela peut être le cas dans une STEP ou un barrage hydro-électrique.
La différence entre l'électrocution et l'électrisation
L'électrisation
L'électrocution
L'électrocution correspond au fait de causer une secousse mortelle par le passage d'un courant électrique chez l'Homme ou chez l'animal. Dans le cas défavorable où le corps est traversé pendant une seconde par un courant alternatif de 75 mA à 50 voire 60 Hz, une fibrillation ventriculaire peut être causée et létale sauf si une intervention très rapide à lieu sur le blessé.
Repérer les symptômes
Les symptômes d'une électrisation et, de façon plus large, d'une électrocution sont :
- Une fibrillation ventriculaire du myocarde, c'est à dire le muscle cardiaque, qui entraînera alors une désynchronisation de la contraction des cellules musculaires, on les appelle cardiomyocytes, des deux ventricules cardiaques ce qui différencie la fibrillation ventriculaire de la simple fibrillation auriculaire.
- Une contraction dite involontaire et spastique des muscles respiratoires conduisant à une tétanie qui va alors bloquer la ventilation et provoquant une asphyxie qui peut être mortelle si elle n'est pas prise en charge dans les minutes qui suivent.
- La destruction importante de tissus par brûlures ou par rhabdomyolyses, c'est à dire lorsque les cellules musculaires squelettiques se dégradent de façon très rapide en libérant leur contenu dans la circulation sanguine
Le décès peut alors survenir si le courant qui traverse le cœur 75 mA pendant 1 seconde voire 30 milliampères pendant 30 secondes. Mais il peut aussi intervenir si les symptômes ne sont pas traités à temps ou à la suite de traumatismes associés au choc électrique comme une chute.
Déterminer la gravité de la blessure
La gravité des blessures peut dépendre :
- du type de courant. En effet, celui-ci peut être alternatif, le plus souvent alternatif sinusoïdal de fréquence 50 Hz, ou continu et donc de fréquence nulle ;
- de l’intensité du courant qui dépend elle-même de la tension, c'est à dire de la différence de potentiel entre les différents points de contact, et de la résistance du corps humain ;
- du trajet du courant à travers le corps : selon les organes traversés par le courant, les dégâts peuvent être plus ou moins graves ;
- Et de la durée du passage.
La résistance du corps humain
La variation de la résistance du corps humain
La résistance du corps humain, ou encore son impédance, peuvent varier selon différents facteurs qui sont :
- Le trajet du courant et, de façon plus précise, les points de contacts
- La surface de contact cutanée ainsi que la surface de section des structures qui vont être traversée par le courant. En effet, puisque la résistance est inversement proportionnelle à cette surface, plus la surface est petite, plus la résistance sera importante.
- Les temps de contact : plus la durée de contact avec le courant est élevée, plus les lésions seront profondes et graves
- L'état de la surface de contact. En effet, plus la peau est fine et humide, plus la résistance va diminuer. Par exemple, une peau épaisse, sèche est de 2 . 106 Ω contre 500 Ω pour une peau fine et humide.
Pour ce qui est des tissus biologiques, leur résistance est variable bien que généralement faible. De plus, si le tissu brûle, alors sa résistance augmente.
L'impédance du corps humain
Lorsque l'on se trouve dans le cas où un courant alternatif traverse le corps humain, on ne parle plus de résistance mais plus précisément d'impédance. En effet, les tissus constituant le corps peuvent alors être représentés par une succession de résistances R et de réactances, c'est à dire inductances et capacités, X. Ce tout permet alors de définir l'impédance sous la forme suivante : [ Z ^ { 2 } = R ^ { 2 } + X ^ { 2 } ] En effet, cette impédance Z du corps humain est le résultat de la somme des impédance de la peau ou des muqueuses aux différents points de contacts noté Zp1 et Zp2 mais aussi de l'impédance interne des tissus notée Zi. En ce qui concerne de façon plus précise l'impédance interne, celle-ci est plus ou moins identique chez une personne. Une différence peut néanmoins être observée si la surface de contact est très faible : dans ce cas, l'impédance interne augmente. De ce fait, la résistance totale décroît de façon très rapide lorsque l'intensité du courant, quant à elle, augmente.
Rappels sur l'impédance
L'impédance électrique est la mesure de l'opposition d'un circuit électrique au passage du courant alternatif en son sein. L'impédance vient de la loi d'Ohm.
On peut mesurer facilement l'impédance d'un condensateur en fonction de la tension qui l'alimente grâce à cette fonction du temps : [ Z = \frac { U } { I } = \frac {I} {C omega } ] où :
- U est la tension du circuit en volts ;
- I est l'intensité du circuit en ampères.
On peut aussi déterminer l'impédance complexe avec une transformation complexe de l'expression précédente : [ underline { Z } = \frac { underline { U } } { underline { I } } = \frac { I } {C omega } ]
Éviter les mises en danger
- Ne jamais introduire d'objets métalliques dans une prise de courant
- Ne jamais intervenir sur une installation sous tension
- Ne jamais utiliser un appareil électrique, le corps électrique, le corps ou les mains mouillés
- Ne jamais toucher un fil dénudé d'une installation
Les cas en France
Chaque année en France, on dénombre 200 personnes hospitalisés suite à une électrisation, c'est à dire à causes de brûlures électrique ce qui fait un total de 3 à 5 cas par millions d'habitants et par an. Les électrocutions représentent les cas d'accidents de la vie courante les plus rares en France puisqu'on ne dénombrait en 2006 que 61 décès par électrocutions sur un total de 18 000 décès par accidents de la vie courante. De façon générale, les accidents d'électrocutions représentent environ deux cas sur trois d'accidents domestiques et de loisirs et touche de façon majoritaire les hommes, surtout les adultes bricoleurs, mais aussi les jeunes enfants de moins de 5 ans mis à proximité d'installations défectueuses. 
Réalisation d'un exercice type examen
- Modèle du conducteur parfait ;
- Conducteur réel : modèle basse fréquence ;
- Modèle de Drude : Ce modèle, également appelé modèle de l'électron amorti, correspond à une adaptation de la théorie des gaz aux électrons des métaux. Cette adaptation n'a pu être mise au point qu'en 1900 puisque les électrons des métaux n'ont été découvert qu'en 1897. Ce modèle permet, en considérant les électrons d'un métal comme correspondant à des particules classiques ponctuelles qui sont confinées au sein d'un volume qui est défini par l'ensemble des atomes de l'échantillon étudié, d'obtenir un gaz qui est entraîné par un mouvement d'ensemble par des champs électriques et magnétique. Ce même mouvement est alors freiné par les collision sur les cœurs d'atomes. Ainsi, on peut alors rendre compte des différentes propriétés des métaux telles que la conductivité électrique, la conductivité thermique ainsi que l'effet Hall.
- Équations de Maxwell dans un métal et structure de l'onde électromagnétique plane progressive ;
- Structure spatiale locale de l'onde ;
- Équations pour E et j ;
- Résolution : effet de peau.
Validation des données
- Effet de peau pour un conducteur parfait ;
- Ordres de grandeur de la conductivité d'un métal ;
- Ordres de grandeur de l'épaisseur de peau ;
- Limite du modèle continu.
Rappels
Champ électrique
En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ. En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance. Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz. Cette force se décompose ainsi : [ overrightarrow { f } = q left ( overrightarrow { E } + overrightarrow { v } wedge overrightarrow { B } right) ] avec :
- [ overrightarrow { E } ] le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge
- [ overrightarrow { B } ] le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.
De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude. Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes. Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb. On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacement des charges afin d'obtenir un champ électrique complet. Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.
Le champ électromagnétique
En physique, on appelle champ électromagnétique la représentation dans l'espace d'une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un référentiel galiléen. On peut alors définir la force subit par une particule de charge q et de vecteur vitesse par l'expression suivante : [ overrightarrow { f } = q left ( overrightarrow { E } + overrightarrow { v } wedge overrightarrow { B } right) ] avec : [ overrightarrow { E } ] le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge [ overrightarrow { B } ] le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi. En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude. De plus, il peut être intéressant de savoir que les équations de Maxwell régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante. D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique. La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.
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