Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     Comment fonctionne le paratonnerre ?



 

 

Le paratonnerre est un dispositif inventé en 1752 par Benjamin Franklin. Il était conçu à l'origine afin d'« écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber ». Depuis ces notions portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour construire une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.

Principe de fonctionnement

Son réel fonctionnement est aujourd'hui mieux connu . La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur puis connectée à la terre par plusieurs câbles appelé(s) conducteur(s) de descente capable(s) de conduire cette électricité : ces conducteurs constituent la cage de Faraday.

Le paratonnerre n'attire absolument pas la foudre mais rend plus probable grâce à l'effet de pointe le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur.

Un tel système est plus efficace s'il est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage (dite cage de Faraday). Il est inutile de l'élever très haut : une espèce de toit en planche de fakir (plusieurs petites pointes) reste efficace.

  • La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique (l'éclair) se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente (au lieu de passer par le bâtiment).
  • Une pointe unique a une utilité réduite , car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit : il existe des témoignages nombreux confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.

Zone protégée

Le modèle actuellement reconnu pour évaluer la zone protégée est le modèle électrogéométrique. Il consiste à considérer qu'un bâtiment (quelle que soit sa hauteur, qu'il soit ou non équipé d'un paratonnerre) n'est protégé que sous une sphère qui y est accolée. Autrement dit, on prend une boule (sphère) géante et imaginaire que l'on fait rouler jusqu'au contact contre le bâtiment.

  • L'espace situé en dessous du point de contact est supposé protégé.
  • La taille de la boule (rayon de la sphère) dépend de l'intensité de l'éclair dont on espère se protéger (de 5 mètres seulement pour un petit choc, à 200 mètres pour des chocs très rares et intenses).
  • Vu sous un autre angle, seuls les gros chocs de foudre seront attirés par les hauteurs du bâtiment ou les pointes de paratonnerres.
  • Potentiellement, le bas d'un bâtiment risquera toujours un éventuel choc de foudre. Donc la foudre peut tomber partout (même entre deux pieds de la tour Eiffel).
  • En s'éloignant du bâtiment, aucune protection particulière n'est constatée. L'idée que la pointe du clocher protège tout le village est à oublier.
  • Cela implique aussi qu'il n'est pas très utile d'élever démesurément les paratonnerres ni très malin de tout miser sur eux.

Enfin, ce modèle n'a été observé que pour les décharges négatives (90 % des cas), aucune réelle protection n'étant constatée avec les chocs positifs (10 % des cas).

Conclusion : la notion de « zone protégée » connue culturellement est à relativiser fortement.

 

Intérêt et limites de la protection

Il est rare de subir un choc direct de foudre. Le plus souvent, les dégradations et pannes sont causées à distance par l'onde magnétique, car un éclair dégage une onde très puissante. C'est cet effet indirect qui est responsable de la majorité des pannes électriques ou électroniques.

  • Cela implique qu'un paratonnerre ne protège en rien les matériels électroniques (au contraire, si l'éclair touche il tombe au plus près des appareils).
  • L'objectif d'un paratonnerre est seulement d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment. Toutefois, s'il y a plusieurs conducteurs de descente vers la terre, il peut y avoir en prime un effet réducteur de l'onde magnétique (à l'intérieur du bâtiment).
  • Il est important d'avoir plusieurs conducteurs de descente (capables d'écouler le choc de foudre) et bien positionnés. Ces conducteurs doivent être reliés aux masses métalliques proches pour éviter des arcs électriques : à l'instant du choc, deux extrémités d'un même câble ne sont plus au même potentiel (il peut y avoir plusieurs milliers de volts d'écart).

 

Autres protections

La sécurité offerte par cet outil souvent coûteux doit donc être relativisée, malgré les croyances et les conseils commerciaux. Il garde l'intérêt décrit ci-dessus, ni plus, ni moins.

  • Pour les constructions individuelles, les spécialistes en CEM (compatibilité électromagnétique) connaissent des techniques simples, efficaces et peu coûteuses sur les façons de câbler l'installation électrique pour protéger les matériels.
  • Ces conseils font souvent partie des normes actuelles, en particulier pour des constructions nouvelles (liaisons équipotentielles, absence de boucles sauf sur les masses, etc). Recâbler le réseau électrique est plus efficace qu'un paratonnerre pour protéger les matériels.
  • Pour protéger également le bâtiment, il faut un paratonnerre à plusieurs pointes ou la pose d'une ceinture conductrice sur les arêtes du bâtiment. Cela est contraignant et peu esthétique dans le cadre d'une habitation individuelle. La pose est donc essentiellement rencontrée en milieu industriel.
  • Il est en revanche conseillé de poser une pointe au point d'impact si le bâtiment a déjà été touché par un choc direct.

La bonne nouvelle : il est (possible mais) très rare et peu probable d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non « protégé ». Par contre, lutter contre les effets indirects (électromagnétiques) est prioritaire car il y a régulièrement des orages.

Attention à ne pas confondre les paratonnerres (dont il est question dans cet article et qui tentent de protéger la structure d'un bâtiment) avec les parafoudres (qui eux protègent les appareils électriques). Les parafoudres sont des protections (efficaces si bien câblées) à faire poser sur le circuit électrique, justement pour se protéger des surtensions induites.


Pointes dites actives

Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif supposé attirer un peu mieux la foudre. Nous avons vu dans cet article qu'il était néfaste de vouloir ainsi l'attirer et utopique d'y parvenir avec une seule pointe. Quoi qu'il en soit, dans le passé et suivant les croyances, certains paratonnerres ont été équipés d'une pastille radioactive. Elle est supposée ioniser l'air et ainsi offrir un rayon d'efficacité plus élevé. La limite de cette idée est bien sûr que les chocs de foudre n'ont pas tous la même polarité. On repousserait donc au moins autant, sinon plus, d'éclairs qu'on n'en attirerait. Qui plus est, suite aux risques liés à la radioactivité, ces dispositifs sont évidemment aujourd'hui interdits. On peut toutefois en trouver encore parfois sur certains toits anciens.

D'autres types de dispositifs se fabriquent par contre encore, basés par exemple sur l'effet piézoélectrique. Les dispositifs à pointes actives sont parfois expliqués par la théorie dite « de l'avance à l'amorçage », bien qu'aucun lien ne soit clairement établi entre cette avance à l'amorçage et le rayon de protection. Dans quelques pays, des normes nationales définissent des zones de protection pour ces matériels, dans d'autres, l'efficacité de tels dispositifs est contestée.

Rappelons le véritable intérêt d'un paratonnerre : il s'agit surtout, au cas où la foudre passerait, par hasard, à proximité et risquerait de toucher le bâtiment, de capter et écouler la décharge dans les conducteurs de descente et ainsi de préserver la structure du bâtiment.