Paratonnerre

La Tour CN de Toronto, frappée par la foudre à 04:17 le 23 juillet 2008.

Présentation

Usage	Protection contre la foudre (d), lightning rod fashion (en)

Le paratonnerre est un dispositif conçu afin de fournir un point d'impact à la foudre ainsi qu'un chemin contrôlant l'évacuation des charges électriques. Autrement dit, il protège de la foudre les bâtiments et toutes les hautes structures. Selon l'histoire officielle, il est inventé le 15 juin 1752 par Benjamin Franklin à Philadelphie. Depuis, les notions caractérisant le dispositif portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour établir une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.

Paratonnerre installé au troisième étage de la tour Eiffel à Paris.

« La Tour Eiffel, paratonnerre géant. »
Photographie prise à 21 h 20 le 3 juin 1902 et publiée dans le Bulletin de la Société Astronomique de France en mai 1905.

Paratonnerre, avec mise à la terre (ou à l'eau)

Les points hauts tels que les cheminées sont souvent choisis comme support de paratonnerre

Paratonnerre PDA

Paratonnerre traditionnel

Historique

Benjamin Franklin se passionne pour l'électricité et pense que la foudre est un phénomène électrique. Si le physicien est le premier à émettre l'idée, le 29 juillet 1750 de se protéger de la foudre au moyen de tiges de métal pointées vers le ciel et reliées au sol, Franklin n'est pas le premier à mener cette expérimentation.

L'histoire rapporte l'expérience du cerf-volant de Franklin qui a lieu le 15 juin 1752 mais il est fort probable qu'il n'ait pas réellement conduit cette expérience et, en outre, concernant la capture d'un éclair, il est précédé par le comte de Buffon qui avait fait poser une longue barre de fer sur l'observatoire de la tour Montbar^[1], et puis juste après par le Français Thomas-François Dalibard qui recommande qu'on élève à Marly-la-Ville une barre de fer semblable, de 40 pieds de hauteur^[1]. C’est cette dernière, posée le 10 mai 1752, qui, pour des raisons météorologiques, fut la première à recevoir la foudre (le 19 mai 1752)^[1],[2], et M. Delor aurait répété l'expérience à Paris une semaine plus tard, avant que l'appareil de Buffon soit baptisé par le feu neuf jours après celle de Marly-la-Ville. Peu après, d'autres paratonnerres sont dressés à l’observatoire de Paris, à Saint-Germain-en-Laye, à Montmorency, et dans le monde entier^[1].

Par ailleurs, Jacques de Romas réalise le 7 juin 1753 l'expérience où il prouve publiquement la nature électrique de la foudre en envoyant son cerf-volant vers la nuée orageuse^[3]. De la corde (entourée d'un fil métallique) qui le retenait au sol, il obtient des étincelles de plus de dix pieds de long et d'impressionnantes détonations. Jacques de Romas a décrit dès 1752 le processus à mettre en place avec son « cerf-volant électrique » avant que Franklin ne réalise son expérience. C'est par une fâcheuse erreur de l'académie des sciences de Bordeaux que l'invention ne lui a pas été attribuée, erreur reconnue et réparée par les rapports des 1^er et 4 février 1764. Benjamin Franklin n'a jamais reconnu publiquement l'antériorité des conclusions de Jacques de Romas, même après les conclusions accablantes de l'Académie de Paris concernant la réclamation de Jacques de Romas en 1764. Benjamin Franklin se garda bien de contester cette décision, comme s'il reconnaissait pour sa part l'équité de ce jugement^[3] ; mais pour la postérité, c'est Benjamin Franklin qui restera l'inventeur^[4].

Par contre, Franklin n'avait pas songé que la connexion à la masse serait essentielle. Dès 1750, l'abbé tchèque Václav Prokop Diviš suggère cette étape, et construit en 1754 un paratonnerre lié à la terre au moyen de chaînes en fer, le premier appareil de ce genre. Franklin fera de même en 1760 à Philadelphie^[5].

Principe de fonctionnement

Son 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 un ou plusieurs éléments métalliques appelés conducteurs de descente, capables de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday.

Le paratonnerre n'attire 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. Le paratonnerre captera donc la foudre dans sa zone d'influence (zone de protection), mais les éclairs qui auraient eu tendance à tomber en dehors de cette zone continueront à le faire.

Différents types de paratonnerres existent mais les trois plus courants sont : la pointe simple (dite pointe de Franklin), le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA) et la cage maillée (cage de Faraday).

Le PDA a une plus grande zone de protection.

La pointe simple

Le système de protection est constitué, outre l'organe de capture, d'une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre.
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 et il existe de nombreux témoignages confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.

Le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA)

Voir la section Paratonnerres à dispositifs d'amorçage de l'article.

La cage maillée

Le système de protection 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.
Il existe tout autant de témoignages montrant des coups de foudre à l'intérieur de la maille de la cage... En vérité ces cas d'échec de capture sont très rares quel que soit le type de protection. Que la pointe soit seule n'a pas d'importance en termes de capture... ce qui compte c'est que la structure à protéger soit bien dans la zone de protection du paratonnerre.

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 du 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 forts 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. Par conséquent la foudre peut tomber 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 donc erronée.
• Cela implique aussi qu'il n'est pas très utile d'élever démesurément les paratonnerres ni très prudent 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).

En conclusion, la notion de « zone protégée » connue culturellement est à relativiser fortement.

Intérêt et limite de la protection

Paratonnerre de protection d'une statue

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).
• 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).
• L'objectif d'un paratonnerre est d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment. Il protège donc les biens et les personnes. Mais il est important d'associer une protection contre les effets indirects (parafoudres) à cette protection contre l'impact direct (paratonnerre).
• 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

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 :

• liaison équipotentielle ;
• absence de boucles sauf sur les masses ;
• 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 d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non « protégé ». En revanche, 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.

Paratonnerres à pointe active

Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif visant à accroître la zone de protection, également appelés PDA, pour paratonnerres à dispositif d'amorçage (cf. paragraphe PDA).

Vocabulaire

L'analyse du terme « paratonnerre^[21] » semble indiquer qu'il s'agit d'un dispositif « contre le tonnerre^[22] ». Or le mot tonnerre désignant le craquement généré par la foudre, dû à l'expansion de l'air chauffé très rapidement par l'arc électrique entre le sol et le nuage, le paratonnerre ne protège pas du tonnerre, c'est une métonymie, il protège de la foudre elle-même. On ne peut cependant utiliser le terme parafoudre, déjà utilisé pour décrire un dispositif contre les surtensions.

Notes et références

Voir aussi