Les 3 méthodes de Mesures des Champs électriques BF

Le texte ci-dessous est librement adapté du texte d'un rapport très intéressant portant sur les lignes éléctriques aériennes ou enterrées Hautes Tensions et Très Hautes Tensions en Allemagne : https://sites.google.com/view/cemethconseil/cours-en-ligne/champs-%C3%A9lectriques?authuser=0#h.6uytmbfl3khu

Les trois méthodes de mesure du champ électrique basse fréquence

Pour évaluer les champs électriques à 50 Hz produits par les lignes électriques, les installations domestiques ou les appareils, trois méthodes principales sont utilisées.

Elles diffèrent selon que l’on souhaite mesurer le champ « non perturbé », c’est-à-dire sans la présence de la personne qui effectue la mesure, estimer l’exposition réelle d’une personne reliée à la terre, sans toutefois prendre en compte la perturbation du champ induite par la présence de la personne, ou déterminer la tension induite dans le corps humain lorsque celui-ci est relié à la terre.  

1. Mesure hors potentiel (« potential free »)

C’est la méthode de référence pour mesurer le champ électrique non perturbé, c’est-à-dire celui existant dans l’air sans influence d’un conducteur habituellement étranger au lieu de mesure, comme un objet métallique ou le corps de la personne qui effectue la mesure.
Elle est prescrite par les normes (comme la DIN 0848) pour les mesures extérieures à proximité des lignes haute et très haute tension.

👉 Principe général

Le champ électrique que l'on veut mesurer exerce une force sur les charges présentes dans les conducteurs.
Lorsqu’on place deux électrodes métalliques face à face, elles se comportent comme un petit condensateur : le champ électrique induit une charge positive sur l’une des électrodes et négative sur l’autre.
La tension entre ces deux électrodes est proportionnelle à la force du champ.
L’appareil mesure alors soit la tension (entrée à haute impédance), soit le courant de déplacement qui traverse le condensateur. Ce courant n’est pas un courant de conduction transporté par des électrons comme dans un fil électrique, mais un courant « virtuel » lié à la variation du champ électrique dans le temps. Quand le champ augmente ou diminue, il modifie la répartition des charges sur les plaques ; ce déplacement de charges équivaut, d’un point de vue électromagnétique, à un petit courant alternatif que l’électronique de l’appareil peut détecter et convertir en une valeur de champ.

Ce principe de couplage capacitif est à la base de toutes les sondes de champ électrique.
Les deux électrodes peuvent être intégrées dans une tête de mesure ou dans le boîtier même de l’appareil ; elles ne sont pas forcément visibles.

👉 Différence entre « condensateur » et « antenne »

Le terme « antenne » est parfois utilisé par les fabricants pour simplifier, mais dans le contexte des champs basse fréquence (50 Hz à quelques centaines de kHz), il ne s’agit pas d’une antenne au sens radioélectrique (qui capterait une onde propagée).
Ici, la tige ou la plaque métallique joue simplement le rôle d’une électrode couplée par effet capacitif au champ électrique ambiant. Elle forme, avec la seconde électrode interne (ou avec la masse de l’appareil), un condensateur de mesure. Autrement dit :
– dans le cas d’un vrai condensateur, les deux électrodes sont clairement séparées ;
– dans le cas d’une « antenne » de champ électrique, une électrode est la tige ou la plaque visible, et l’autre est souvent la masse interne du circuit de mesure.

👉 Cas des appareils grand public

Les champmètres domestiques, comme le Cornet ED85EXPlus ou le Gigahertz Solutions ME3840B, utilisent ce même principe.
La « sonde champ électrique » de ces appareils contient un condensateur miniature formé entre une électrode exposée au champ et la masse électronique interne.
Le champ électrique de l’environnement induit sur cette électrode une charge proportionnelle à l’intensité du champ. L’électronique interne mesure la tension correspondante et affiche la valeur du champ en volts par mètre (V/m).

Ces appareils sont donc des capteurs capacitifs.
Ils réalisent une mesure hors potentiel, car ni la sonde ni le boîtier ne sont reliés à la terre pendant la mesure.

Pour éviter toute perturbation, il suffit de tenir le champmètre au bout d'une perche isolante ou de le poser sur un support non conducteur. Il faut éviter aussi de prendre la mesure à côté d'un conducteur qui déformerait le champ électrique (sauf si on veut en connaissance de cause aussi intégrer l'impact du conducteur dans la mesure).
C’est la méthode la plus simple et la plus utilisée par le grand public pour estimer le champ électrique dans les habitations.

2. Mesure par rapport au potentiel terrestre

Cette méthode consiste à mesurer le champ électrique par rapport à la terre, c’est-à-dire avec un champmètre relié électriquement au sol.
Elle ne vise pas à déterminer le champ « libre » présent dans l’air, mais à estimer le champ auquel serait exposée une personne en contact électrique avec la terre — par exemple lorsqu’elle touche un objet conducteur relié à la prise de terre ou marche pieds nus sur un sol conducteur. Cette mesure est réalisée comme dans le cas des mesures hors potentiel en l'absence du corps de la personne, afin que celui-ci ne vienne pas perturber le champ électrique.

👉 Principe

Le champmètre est relié à la terre par un câble de mise à la terre.
La sonde mesure alors la différence de potentiel entre le point où se trouve la sonde et le potentiel du sol.
Cette configuration modifie les lignes de champ : elles se concentrent entre la source du champ (mur, câble, appareil) et la sonde reliée à la terre.
La valeur mesurée correspond donc au champ effectif qui s’exerce sur un objet ou un corps conducteur relié à la terre.

👉 Mise en œuvre pratique

Le champmètre doit être posé sur un support stable (table métallique, plaque conductrice, trépied relié à la terre) ou directement raccordé à la prise de terre par un fil adapté.
La personne qui effectue la mesure ne doit pas toucher l’appareil pendant la mesure ni être proche de celui-ci, pour ne pas perturber le champ.
Si l’on veut représenter la situation réelle d’un corps humain relié à la terre, on peut faire une mesure séparée de tension corporelle (voir dans ce cas la méthode 3).
Autrement dit, dans la méthode « par rapport au potentiel terrestre », seul l’appareil est mis à la terre, pas la personne.

👉 Différence avec la mesure hors potentiel

Mesure hors potentiel (méthode 1) :

• Connexion à la terre : aucune =>  la sonde et l’appareil sont totalement isolés,

• But de la mesure : mesurer le champ électrique ambiant non perturbé,

• Manipulation : l’appareil est tenu à distance par une perche isolante ou posé sur un support non conducteur.

• Valeurs typiques : plus faibles, car le champ n’est pas concentré.

Mesure par rapport à la terre (méthode 2) :

• Connexion à la terre : oui => la sonde ou le boîtier est relié à la terre,

• But de la mesure: mesurer le champ perçu par un objet ou une surface reliée à la terre,

• Manipulation : l’appareil est posé et relié à la terre, sans contact manuel pendant la mesure,

• plus élevées, car la mise à la terre attire les lignes de champ, qui deviennent plus resserrées à proximité du capteur, renforçant ainsi le champ local mesuré. 

👉 Domaines d’application

Cette méthode est utilisée dans les mesures ergonomiques et dans certains protocoles d’évaluation de postes de travail électriques.
Par exemple, les normes suédoises TCO et MPR II exigent que la sonde soit reliée à la terre pour simuler le cas « pire » d’un utilisateur ou d’un équipement relié au potentiel du sol.

👉 Exemple de mise en oeuvre avec un champmètre NFA 1000 de Gigahertz Solutions (extrait du manuel utilisateur) 

Prise pour le câble de mise à la terre : elle permet la connexion à un câble de mise à la terre pour les mesures des champs électriques E avec la référence de terre (en accord avec les normes TCO - Suède). Le câble sera détecté automatiquement par l’instrument et l’écran affichera le champ électrique E de mesure selon le potentiel de terre correspondant. 

3. Mesure de la tension corporelle ou des courants de fuite

Cette méthode vise à quantifier l’effet direct du champ électrique sur le corps humain, en mesurant la tension induite entre le corps et la terre, ou le courant de fuite qui circule lorsqu’un chemin conducteur vers la terre est établi. Elle est particulièrement utilisée pour évaluer l’exposition biologique réelle en environnement domestique ou professionnel.

👉 Principe

Le corps humain se comporte comme un conducteur soumis à un champ électrique.
Sous l’action du champ, des charges électriques positives et négatives apparaissent par influence sur sa surface : une partie du corps devient légèrement positive, l’autre légèrement négative.

Tant que le corps n’est pas relié à la terre, les charges positives et négatives induites par le champ restent globalement équilibrées et aucune tension stable n’apparaît.

Mais lorsqu’on relie le corps à la terre, les charges positives sont progressivement évacuées vers le sol à travers le câble de mise à la terre, tandis que les charges négatives s’accumulent principalement sur la zone du corps la plus exposée au champ électrique, c’est-à-dire là où le champ externe est le plus intense.

Il en résulte une différence de potentiel mesurable entre le corps et la terre, proportionnelle à la force du champ ambiant.

Ce déplacement de charges et le déficit de charges qui en résulte crée une différence de potentiel entre le corps et la terre, appelée tension corporelle induite. Plus le champ électrique ambiant est fort, plus cette tension est élevée. C’est cette tension, mesurée entre le corps et la terre, qui permet ensuite d’estimer le champ électrique ambiant équivalent auquel le corps est soumis.

👉 Mise en œuvre

Pour que la mesure ait un sens physique, le corps doit donc être relié à la terre par un câble conducteur équipé d’une résistance connue (souvent comprise entre 1 MΩ et 10 MΩ) pour des raisons de sécurité.
Le champmètre, ou un simple voltmètre haute impédance, mesure alors la tension Ucorps entre le corps et la terre.
Sans cette mise à la terre, il n’y aurait aucun chemin de référence et la tension mesurée serait nulle ou instable.

👉 Interprétation

À partir de la tension corporelle, on peut estimer le champ ambiant équivalent selon la relation approchée : E ≈ Ucorps / heq

où heq représente la hauteur équivalente du corps humain, en général entre 1,0 et 1,2 m.

Ainsi, une tension corporelle de 100 mV correspond à un champ ambiant d’environ 0,1 à 0,2 V/m.
Cette conversion dépend de la posture, de la nature du sol et de l’environnement (pièce fermée, sol sec ou humide, mobilier à proximité).

👉 Domaine d’utilisation

Cette méthode est particulièrement utile à l’intérieur des habitations, pour comparer l’exposition réelle dans différentes pièces (par exemple chambre, salon et bureau). Elle donne une idée concrète du champ effectivement appliqué au corps, contrairement à la mesure hors potentiel (champ libre) ou à la mesure instrumentée à la terre (champ sur un objet conducteur).

Cependant, elle reste très sensible à la posture du corps et à la qualité de la mise à la terre.

Une position assise, debout ou allongée modifie la surface exposée et donc la tension mesurée.

De plus, la terre utilisée comme référence peut ne pas être rigoureusement identique d’une pièce à l’autre : les prises de terre domestiques présentent souvent de légères différences de potentiel, dues à la résistance des conducteurs, à la répartition des liaisons équipotentielles ou à la nature du sol sous la maison.

Ainsi, deux mesures faites dans des pièces différentes peuvent présenter de petites variations qui ne traduisent pas forcément un changement réel du champ électrique ambiant, mais plutôt des différences dans la connexion ou la répartition du potentiel de terre. 

👉 Remarques pratiques

– La personne ne doit pas toucher d’autres objets conducteurs pendant la mesure.
– Il est recommandé de se tenir debout ou assis normalement, avec la connexion à la terre placée à la cheville ou au poignet.
– Certains appareils (comme le Gigahertz Solutions NFA1000) possèdent un mode automatique de mesure de la tension corporelle.

👉 Exemple de mise en oeuvre avec un champmètre NFA 1000 de Gigahertz Solutions (extrait du manuel utilisateur) 

Entrée pour l'électrode à main : cette entrée est destinée à connecter l'électrode à main afin de réaliser des mesures de la tension corporelle en mV. Le connec­teur est une prise jack banane de 4 mm. Pour afficher et enregistrer les valeurs, commutez le bouton « Mode » sur (image montrant la fonction adéquate) et branchez le câble de mise à la terre. C'est le seul raccordement qui n'est pas reconnu automatiquement (parce qu'il n'y a qu'un seul pôle).