La foudre et le paratonnerre
Avertissement très important !!!
Cette expérience peut être extrêmement dangereuse (et potentiellement mortelle !!!) si elle est effectuée ou présentée par des personnes ne possédant pas une parfaite connaissance de la prévention des risques électriques liés à la mise en œuvre de hautes tensions (15 kV).
Les mesures de prévention à connaître et à appliquer, pour éviter tout accident, sont précisées dans la Norme NF C 18‐510 : le recueil complet et les guides afférents (AFNOR).
Si vous n'avez pas une bonne connaissance de cette norme et de ce qu'elle contient, IL NE FAUT PAS TENTER CETTE EXPERIENCE.
Si cette expérience est présentée à des enfants, ils doivent être maintenus à distance par un dispositif physique. Ainsi, ils ne doivent pas avoir la possibilité matérielle de s'approcher de la maquette.
Par ailleurs, cette expérience présente également un risque d'incendie.
Objet de l'expérience
Montrer, sur une maquette, comment agit une décharge de foudre qui incendie une maison en papier.
Montrer comment le paratonnerre protège la maison et évite qu'elle ne soit incendiée si la foudre s'abat sur elle.
Le montage électrique
La source de tension utilisée pour simuler un coup de foudre sur une maquette doit présenter les caractéristiques suivantes :
- fournir une tension suffisante pour amorcer un arc assez long pour être bien visible (10 à 15 kV minimum),
- fournir un courant suffisant pour provoquer l'inflammation rapide de la maquette en papier (5 à 10 mA minimum),
- avoir une caractéristique U = f(I) plongeante pour supporter le court-circuit franc sans dommage (transfo à shunt magnétique).
Un transformateur d'allumage pour brûleur à fioul de chaudière de chauffage central répond à ces critères. Malheureusement, le point milieu du secondaire est généralement relié à la terre, ce qui oblige à bien isoler le sol artificiel représenté par la plaque de tôle et rend l'expérience plus dangereuse.
NB : L'idéal serait de disposer d'une source de tension issue d'une alimentation à découpage à haute fréquence qui présenterait les caractéristiques ci-dessus. En effet, une telle tension serait nettement moins dangereuse, du point de vue physiologique, qu'une source à 50 Hz pour des effets visuels et thermiques similaires.
Le schéma est le suivant :
La pédale permet d'envoyer le courant de manière très brève et juste au moment opportun afin de limiter les risques d'électrocution.
La lampe "flash" qui clignote dans la pièce, par ailleurs maintenue dans la pémombre, rappelle l'imminence du danger. J'utilise une lampe "Starflash B22" ou équivalent, qui sert habituellement à agrémenter les guirlandes de Noël.
La plaque de tôle simulant le sol peut être posée sur une épaisse plaque de polystyrène expansé qui jouera le rôle d'isolateur.
La pointe, d'où part l'éclair, peut être dissimulée dans un "nuage d'orage" réalisé à l'aide d'une touffe de laine de verre colorée en noir et décorée par une silhouette, comme celle ci-contre, pour soigner le côté spectaculaire de l'expérience.
Comment la foudre provoque un incendie dans une maison ?
La maison peut être réalisée en découpant l'image ci-contre et en l'assemblant par collage. La hauteur de la maquette ne doit pas dépasser 2 cm.
La papier étant un bon isolant, il est nécessaire d'augmenter la conductivité de la maquette pour favoriser le passage du courant (comme dans une vraie maison). A cet effet, on peut, avant assemblage, enduire généreusement de graphite l'intérieur de la maquette à l'aide d'un crayon à papier à mine très grasse (3B).
On approche le "nuage maléfique" de la maison tout en établissant le contact à l'aide de la pédale. Lorsque l'arc électrique jaillit, la maison est réellement incendiée !!! (attention à ne pas incendier votre propre maison !).
Comment le paratonnerre, inventé par Benjamin Franklin, protège la maison ?
On va équiper la maison d'un paratonnerre. Le trait gras, sur le dessin ci-contre, représente le cheminement du fil de cuivre qui relie le faîtage du toit à la terre (la plaque de tôle). Ce fil est à plier et à coller contre les arêtes en le dissimulant au mieux. Des pointes verticales en fil de cuivre sont soudées à chaque extrémité du faîtage : c'est la partie visible du paratonnerre.
L'arc électrique de la foudre jaillit maintenant entre la pointe du "nuage" et la pointe du paratonnerre. L'effet visuel est aussi impressionnant mais la maison est indemne car elle n'est pas traversée par le courant de la foudre : il passe par le fil de cuivre, qui présente un chemin de moindre résistance, pour atteindre la terre.
