Pourquoi un éclair et un isolateur THT obéissent à la même loi physique

Vous avez peut-être déjà vu ces images impressionnantes de footballeurs péruviens foudroyés en plein match (extrait JT de France2 du 03 novembre 2024)

Vous avez aussi sûrement déjà remarqué ces gros disques en céramique ou en verre accrochés aux pylônes à haute tension, sans forcément vous demander à quoi ils servent.

L’éclair et les isolateurs THT, en apparence sans rapport, obéissent en réalité à la même loi physique : le claquage électrique qui contrairement à ce qu’on pourrait penser ne dépend pas de la tension mais du « champ électrique », c’est à dire la manière dont cette tension est répartie dans l’espace.

Tension et champ électrique : les bases

La tension (ou différence de potentiel), c’est ce qui pousse le courant à circuler, un peu comme une différence de hauteur d’eau pousse l’eau à s’écouler.

Mais la tension seule ne suffit pas à savoir si l’air va « claquer » et laisser passer un arc électrique. Ce qui compte vraiment, c’est le champ électrique : cette même tension, mais répartie sur une distance donnée (exprimé en volts par mètre, V/m). Une tension identique peut être inoffensive ou dangereuse selon qu’elle s’étale sur un mètre ou sur un millimètre.

Quand ce champ dépasse un certain seuil, l’air cesse d’isoler et devient conducteur : un arc électrique jaillit. Ce seuil est très élevé pour de l’air bien sec (environ 3 millions de Volts par mètre). Mais l’air d’un nuage orageux est chargé d’humidité, ce qui l’abaisse nettement : c’est pour cela qu’une tension de quelques centaines de millions de volts suffit à déclencher un éclair sur près d’un kilomètre, sans qu’il faille des valeurs encore plus délirantes.

Retenez cette idée simple : ce n’est pas la tension qui décide du claquage, mais sa « concentration » dans l’espace. C’est le fil rouge qui va relier la foudre, le corps humain, et les isolateurs THT tout au long de cet article.

La foudre, une puissance presque inimaginable

Un coup de foudre transporte un courant de 25 000 à 200 000 ampères, sous une tension de plusieurs centaines de millions de volts entre le nuage et le sol. De quoi faire fondre du sable !! Et pourtant, environ 90% des personnes foudroyées survivent.

Le corps humain : quand la concentration du champ devient une protection

Si tout ce courant traversait réellement l’intérieur du corps d’une personne frappée, personne ne survivrait.

Entre la tête et les pieds d’une personne frappée, la tension théorique atteindrait environ 300 000 volts (et non pas « plusieurs millions de volts » comme l’explique le reportage de TF1).

Mais grâce à un autre phénomène physique, l’énergie colossale va passer à l’extérieur de notre corps.

Voilà ce qui se passe : sur les 1,80m de corps, le champ électrique est énorme mais il se concentre encore plus sur les zones « pointues » comme la tête, les épaules ou les doigts. C’est ce qu’on appelle « l’effet de pointe » utilisé dans la conception des paratonnères. Le champ y dépasse largement le seuil de claquage de l’air.

Résultat : un arc électrique se forme à l’extérieur du corps, à la surface de la peau, sous les vêtements. C’est le flashover.

Le courant préfère filer par cet arc externe plutôt que de traverser les organes internes. Grâce à ce court-circuit naturel, la différence de potentiel qui subsiste réellement entre la tête et les pieds chute à environ 3 000 volts (quand même !!), et le courant interne à quelques ampères seulement, pendant une fraction de seconde.

Ce courant résiduel peut provoquer un arrêt cardiaque, mais laisse aussi une chance de survie surtout si votre corps est isolé de la terre : pieds nus au contact direct du sol, la tension effective (et donc le courant) est plus élevée que pieds isolés par des semelles en caoutchouc, qui ajoutent une résistance supplémentaire sur le trajet.

Deux façons d’être frappé

Il y a l’impact direct, où la foudre touche la personne en pleine tête, avec un trajet du courant de la tête vers les pieds.

Il y a aussi la tension de pas : la foudre frappe le sol à proximité, et le courant se propage en cercle autour du point d’impact. Si vos deux pieds sont écartés à ce moment-là, une tension s’établit entre vos deux jambes, et le courant remonte par une jambe et redescend par l’autre. C’est pour cela qu’on recommande de s’accroupir, pieds joints, en cas d’orage : cela réduit l’écart entre les points de contact au sol, donc le champ électrique appliqué à vos jambes.

Le même principe, à l’envers : comment un isolateur évite le flashover

Les gros disques en céramique ou en verre accrochés aux pylônes à haute tension, les isolateurs, obéissent à la même loi que le corps humain mais en sens inverse. Là où le corps concentre involontairement le champ électrique sur ses pointes et déclenche un flashover, l’isolateur est justement conçu pour faire l’opposé : étaler le champ pour empêcher le flashover.

Leur surface n’est jamais lisse : elle est nervurée, en forme d’assiettes empilées, pour allonger le chemin qu’un courant de fuite devrait parcourir à leur surface. Plus ce chemin est long, plus la tension se répartit sur une grande distance, et plus le champ électrique local diminue. On s’éloigne ainsi du seuil de claquage, surtout par temps de pluie ou de pollution, des conditions qui rendraient sinon un chemin conducteur possible en surface.

C’est une explication simplifiée : dans la réalité, d’autres facteurs entrent en jeu (effet de pointe sur les fixations métalliques, anneaux de garde qui lissent la répartition du champ). Mais l’idée de base reste la même que pour le corps humain : ce n’est pas la tension qui compte, mais la façon dont elle se répartit dans l’espace.

Ce qu’il faut retenir

Foudre, corps humain et isolateurs THT racontent finalement la même histoire, à des échelles différentes : ce n’est jamais la tension seule qui décide d’un claquage électrique, mais sa répartition dans l’espace i.e. le champ électrique exprimé en Volts par mètre (ou V/m). Le corps humain concentre ce champ sur ses pointes et déclenche involontairement un flashover protecteur, tandis qu’un isolateur bien conçu fait l’inverse : il étale le champ pour éviter tout claquage.