Électrocution

Le document qui suit est une adaptation d'une conférence que donna le professeur Bernard Béland aux étudiants de l'Université de Sherbrooke durant l'année académique 1993-1994.

Introduction
Effets physiologiques du courant
Résistance du corps
Électrisation des personnes
Moyens de protection
Double isolation
Circuit flottant 
Disjoncteur différentiel
Animaux dans une étable
Anciennes théories sur l'électrocution
Électrocution judiciaire
Bibliographie

Tableau 1- Effets du courant sur le corps humain à la fréquence du réseau

Figure 1: Contact sur un circuit à 120/240 V
Figure 2: Système triphasé @ la page 9
Figure 3: Circuit électrique avec boîtier électrifié
Figure 4: Transformateur d'isolation
Figure 5: Détecteur de fuite à la terre
Figure 6: Production d'une tension de neutre

 


Introduction

Dans cette note technique, nous allons étudier les principaux effets du courant électrique sur le corps humain. On verra les conditions qui sont dangereuses i.e. comment l'électrocution se produit et les précautions qu'on peut prendre pour se protéger. On verra également les anciennes théories sur l'électrocution. 

Nous signalons immédiatement au lecteur que le processus physiologique de l'électrocution n'est pas entièrement connu et que certains aspects font encore l'objet d'études et de discussions. De plus, on le verra, l'effet d'un courant donné varie dans certaines limites d'une personne à l'autre. Bien plus, le danger de mort croît avec le courant jusqu'à une certaine valeur pour ensuite baisser.

 

 

Effets physiologiques du courant

Les effets physiologiques de l'électricité dépendent du courant qui circule dans le corps humain et non de la tension.  Évidemment, le courant est fonction de la tension appliquée et de la résistance du circuit, incluant celle du corps humain. Les effets dépendent du chemin suivi par ce courant dans le corps humain ainsi que la fréquence. Il va de soi que le courant qui circule entre deux doigts de la même main aura moins d'effets que le courant qui passe à travers la cage thoracique. 

Les dangers que nous décrirons correspondent à ceux d'un courant qui passe entre les deux mains ou, entre une main et les pieds. De même, en général, nous référerons à des courants de fréquence industrielle (60 Hertz) jusqu'à quelques milliers de Hertz.

Il y a deux théories qui sont présentement retenues pour expliquer l'électrocution. 
La théorie bulbaire a été proposée par d'Arsonval en 1887. L'effet est l'arrêt respiratoire et l'asphyxie. Suivant cette théorie, un électrocuté doit être traité par la respiration artificielle, comme un noyé.

La seconde théorie est celle de la trémulation fibrillaire. Suivant cette théorie, la mort proviendrait de l'effet paralysant du courant sur le cœur. Le cœur entre alors en oscillations ou tremblements désordonnés et la mort est rapide.

Ces deux théories sont également valables et une ou l'autre peut se produire en pratique. Suivant la deuxième théorie, la respiration artificielle est inutile; cependant, à cause du doute qui subsiste dans un cas donné, la respiration artificielle est recommandée.

Les effets physiologiques des différentes intensités de courant à fréquences industrielles sont donnés dans le Tableau 1. Ce tableau demande plusieurs commentaires. Les valeurs données ne sont pas absolues. Elles peuvent varier en plus ou en moins d'un facteur deux et même plus d'un individu à l'autre. 

Par exemple, le seuil de perception peut être de 0.5 mA pour certaines personnes et de 2 mA pour d'autres. De même, on donne 70 mA pour le seuil de fibrillation (trémulation fibrillaire). Cependant, comme le montre la valeur suivante dans le tableau, on notera que 0,5% de la population ne subira pas cet effet même avec un courant presque quatre fois plus élevé, soit 250 mA. 

Effets du courant sur le corps humain à la fréquence du réseau

intensité (A)

Effets

0.5 mA Aucune sensation
1 mA  Seuil de perception
1@3 mA Sensation sans douleur
3@10 mA Sensation douloureuse
10 mA Seuil de la perte de contrôle musculaire
30 mA Seuil de paralysie respiratoire
70 mA Seuil de fibrillation cardiaque
250 mA Fibrillation cardiaque presque certaine dans 99,5% des cas
4@5 A Paralysie cardiaque, arrêt du cœur, peut être réversible
Plus de 5 A Brûlures des tissus

 Tableau 1

Il y a lieu de signaler que le courant requis pour un effet donné est approximativement proportionnel au poids de l'individu. 
Ainsi, il faut un courant plus élevé pour électrocuter un adulte par rapport à un enfant. De même, en général, les hommes peuvent résister à un courant plus élevé que les femmes; cela vient de la masse des personnes et non du sexe. 
Cette relation de quasi-proportionnalité entre le courant requis pour produire un effet donné et la masse s'applique aussi aux animaux. 

Par exemple, une vache pèse environ cinq fois plus qu'un être humain et elle peut supporter un courant cinq fois plus élevé. On croit souvent, à tort, que les animaux sont plus sensibles que les humains au courant électrique; il n'en est rien. 
Nous reviendrons sur ce point plus loin.

Les valeurs données dans le Tableau l sont valables pour des courants dont la durée est de cinq secondes ou plus. Le danger croît un peu avec la durée d'application de la tension au delà de cinq secondes. En deçà de cinq secondes, le danger décroît avec la durée de l'application de la tension. Pour des temps courts( < 5s), le courant minimum pour produire la fibrillation est donné par:

116Öt < I < 185Öt

où I est en mA et t en secondes. La valeur de 116 s'applique au cas de personnes légères et l'autre valeur à des personnes pesantes. On notera que pour t = 5s, ces équations donnent un courant de 52 à 83 mA. Pour un temps d'un cycle à 60 Hz, le courant pourra être de l'ordre d'un ampère.

D'après le Tableau 1, un courant de 20 mA, bien que douloureux, peut sembler inoffensif. Il n'en est pas toujours ainsi. En effet, à cause de la perte de contrôle musculaire, la personne ne peut se défaire de son emprise. Par exemple, si une main est fermée sur un tuyau, on ne pourra l'ouvrir. On se trouve ainsi "figé" ou "gelé". Le contact ne pourra être brisé. 

Éventuellement, le stress associé à ce contact pourra paralyser la victime si rien n'est fait pour la dégager. Ce courant de paralysie musculaire est le terme bien descriptif anglais de "let-go current". 

Même un courant de quelques milliampères peut constituer un danger dans certaines conditions. 
Suite à un courant faible, il y a une sensation désagréable et un mouvement de recul instinctif qui s'ensuit. Ce mouvement de recul peut constituer un danger grave dans certaines conditions comme, par exemple, si la personne est dans une échelle, un échafaudage ou encore à proximité de machines en mouvement. Donc tout courant de plus de 1 mA doit être proscrit.

Le courant de l'ordre de 100 à 300 mA doit être considéré comme le niveau le plus dangereux. C'est celui qui produit la fibrillation cardiaque dont les effets sont presque toujours irréversibles, même lorsque le courant est enlevé après quelques secondes.

La fibrillation cardiaque est une oscillation désordonnée du cœur. Les courants plus élevés, tels que quelques ampères constituent un danger moindre que le niveau précédent bien que le danger soit considérable. Cependant, une fois le courant enlevé, la victime récupère très souvent, mais pas toujours. Les courants élevés produisent souvent des brûlures qui peuvent être superficielles aux points de contacts ou même profondes. À cause des puissances en jeu, il y a échauffement des tissus. Cet échauffement dépend de l'intensité du courant et de la durée d'application de celui-ci.

Les brûlures superficielles, bien que douloureuses, sont souvent sans conséquences à long terme. Elles peuvent être traitées comme d'autres types de brûlures. Cependant, il arrive souvent que les brûlures soient internes et des tissus ou des nerfs internes peuvent être endommagés. 

Ces brûlures pourront exiger l'amputation de l'extrémité d'un membre. Un peu plus tard, on pourra constater que le membre a été plus endommagé que prévu initialement; il arrive qu'on doive procéder à quelques amputations successives à cause des brûlures internes. De plus, dans certaines circonstances, des organes vitaux internes peuvent aussi avoir été endommagés; il peut alors en résulter la mort après quelques jours alors que la victime semblait avoir bien récupéré initialement. 
Pour ces raisons, lorsqu'on soupçonne la possibilité que des courants élevés aient circulé dans la victime pour un certain temps, il y a lieu de la garder sous observation.

Nous rappelons au lecteur que les valeurs de courant données plus haut sont en relation avec des courants qui circulent dans le corps en passant d'un membre à l'autre. 

D'autres conditions peuvent être beaucoup plus dangereuses. Par exemple, un courant de l'ordre de 0,02 mA qui passe directement dans le coeur peut produire la fibrillation ventriculaire. On prétend qu'il y a ainsi quelques cas d'électrocution dans les salles d'opération. Ainsi, des courants même très faibles peuvent être très dangereux s'ils circulent dans des régions particulièrement vulnérables. Il va de soi qu'un courant, par exemple, entre les deux membres supérieurs circule dans toute la région du tronc. Ce courant est ainsi réparti sur une grande section; une petite partie seulement de ce courant circule dans des régions vulnérables. 

Il est intéressant de noter que le courant requis pour produire des effets dangereux pour l'être humain est très petit par rapport aux courants usuels dans une résidence. Un circuit est protégé par un fusible de 15 A. Une lampe de 100 W consomme un courant de 0,8 A. Le courant requis par une ampoule d'arbre de Noël donne déjà un choc très désagréable.

Les valeurs de courants données plus haut sont en relation avec des courants de fréquences industrielles. En courant continu, les dangers d'électrocution sont beaucoup moindres. Pour un effet physiologique donné, il faut un courant continu environ quatre fois plus élevé qu'un courant alternatif. De plus, le phénomène de perte de contrôle des muscles qui fige la personne sur un conducteur n'existe pas ou, tout au moins, est beaucoup moindre. En se basant sur ce fait et quelque autres, à la fin du siècle dernier, Edison, dans une bataille avec Westinghouse, avait tenté de faire défendre l'usage du courant alternatif. Edison prétendait que le courant alternatif n'était utile à rien d'autre que l'électrocution. Il a même insisté fortement pour que les premières électrocutions juridiques se fassent avec des machines à courant alternatif.

Les effets physiologiques du courant décroissent rapidement lorsque la fréquence est élevée. Déjà, à 10 000 Hz, le courant requis pour produire un effet donné est multiplié par un facteur de cinq à dix par rapport au courant à 60 Hz. On croit souvent, à tort, que cet effet provient de la tendance du courant aux fréquences élevées à circuler en surface des matériaux conducteurs. Cet effet, pour le corps humain est négligeable sauf aux fréquences extrêmement élevées. Le danger décroît parce que les nerfs ne répondent plus aux fréquences élevées à cause du temps de propagation fini dans les nerfs. L'effet d'échauffement persiste toujours cependant. Cet échauffement peut causer la mort s'il est appréciable. Dans les cirques, on voit souvent une personne soumise à de hautes tensions. On peut noter les étincelles au bout des doigts et elle peut allumer un tube fluorescent en le tenant dans ses mains. Cela n'a rien d'exceptionnel. On utilise simplement un générateur à haute tension et à haute fréquence. Ainsi, la personne supporte facilement des courants de plusieurs dizaines de milliampères sans problème.

Un autre cas à considérer est celui des courants intenses pour des durées très courtes comme la décharge d'un condensateur. Dans ce cas, le danger est variable et dépend de l'instant où se produit la décharge dans le cycle cardiaque. Ici, le danger est dépendant de l'énergie accumulée dans le condensateur. On considère généralement qu'une énergie d'environ 15 joules constitue la limite de danger et que 50 joules constitue un danger sérieux. Cette énergie se calcule facilement dans le cas d'un condensateur par:

où C est la capacité du condensateur en farad et V, la tension en volts. On le voit, un condensateur de 100 µF (micro-farad) chargé à 1 000 V [50 joules] constitue un danger sérieux. Par contre, un condensateur de 0.001 µf chargé à 10 000 V [0.05 joule] ne constitue aucun danger. C'est à peu près le cas auquel on est soumis lorsqu'on prend un choc d'électricité statique en touchant un objet métallique après avoir marché sur un tapis. Pour que le danger existe, il faut que non seulement l'énergie emmagasinée soit suffisante, mais aussi que la tension soit suffisamment élevée pour que le courant de décharge soit dangereux.

Un cas similaire est donné par une bobine d'inductance L (en henry) qui porte un courant I (en ampère). Lorsqu'on interrompt ce courant, il se produit une surtension qui peut être dangereuse. L'énergie emmagasinée est donnée par:

Dans ce cas, l'énergie est souvent beaucoup plus élevée que celle emmagasinée dans un condensateur. Cependant, ce cas est peu susceptible de se produire en pratique bien qu'il ne soit pas impossible.

 

 

Résistance du corps

On l'a vu, l'effet physiologique de l'électricité sur le corps humain dépend du courant. Le courant dépend à la fois de la tension et de la résistance du circuit électrique. Cette résistance électrique inclut celle de la source, de l'électrolyte que constitue le corps et des résistances de contact à l'entrée et à la sortie du courant dans le corps. Sauf pour quelques cas exceptionnels, la résistance de la source peut être négligée. La résistance du corps entre deux membres est de l'ordre de 200 W (ohms). La partie la plus importante de la résistance est celle des contacts. Cette résistance est très variable en fonction de la nature et de la surface de contact, de la pression, de l'humidité du contact, de la rugosité de la peau. Elle change même avec le courant qui circule et décroît avec lui. La peau elle-même constitue une partie appréciable de cette résistance de contact. Ainsi, une blessure pourra l'affecter. À tension moyennement élevée (quelques centaines de volts et plus), la tension est suffisante pour percer la peau. Ainsi, le film que constitue la peau est détruit et la résistance chute de façon draconienne. Cela explique pourquoi des tensions de 300 V et plus sont beaucoup plus dangereuses que le 120 V.

Cette résistance peut varier de 150 W/cm2 pour une main mouillée et douce sur une pièce métallique et jusqu'à 100 000 W/cm2 pour une main calleuse et sèche d'un ouvrier. Dans le cas où le courant circule dans les pieds, il faut inclure la résistance des chaussures qui est, elle aussi, très variable en fonction de l'humidité, de la nature de la semelle et de l'utilisation de clous ou de fils pour fixer la semelle. Des mesures faites par différents chercheurs montrent que la résistance totale du corps est de l'ordre de 2 000 W ou plus dans des conditions de contacts ordinaires. Elle peut descendre à 500 W ou même un peu moins dans le cas de bons contacts sur de grandes surfaces et être aussi élevée que 200 000 W dans le cas de contacts ponctuels sans pression. Un simple contact fortuit avec la main sur un conducteur donne une résistance généralement supérieure à 5 000 W.

Ainsi, à 120 V, un contact fortuit sur un conducteur donne un courant de 120/5000 = 0.024 A ou moins. Ce courant, bien que désagréable, ne constitue généralement aucun danger. Dans d'autres conditions, telles la main fermée sur un tuyau humide et les pieds sur un sol très mouillé, le courant pourra être de 120/1000 = 0.12 A. Cette condition doit être considérée comme très dangereuse et presque toujours mortelle surtout si la victime reste figée sur le conducteur. On le voit, un choc à 120 V est désagréable mais rarement mortel dans les conditions courantes. Par contre avec un bon contact sur un objet solide comme un tuyau, une perceuse et d'autres cas similaires, il est souvent mortel. Dans des conditions extrêmes comme les deux mains sur un tuyau mouillé et les deux pieds dans l'eau, une tension de 20 V doit être considérée comme dangereuse.

Sur un système triphasé à 600 V, la tension entre un fil vivant et la terre est de 600/Ö3. Un contact fortuit du bout d'un doigt n'est normalement pas mortel bien que non recommandé. Par contre, un contact le moindrement bien fait doit être considéré comme dangereux. Un contact avec une paire de pinces sera très souvent mortel.

De ce qui précède, on le voit, les tensions de quelques centaines de volts à environ 1 000 V sont les plus dangereuses. À quelques milliers de volts le courant est trop élevé pour produire la fibrillation. 

Par exemple à 5 000 V, on a I = 5 000/ 1 000 = 5 A. Dans ce cas, si le contact n'est pas prolongé, beaucoup de victimes survivent, bien qu'il puisse y avoir des brûlures graves. Il va de soi, qu'à des tensions encore plus élevées, les brûlures, par elles-mêmes, sont souvent suffisantes pour entraîner la mort.

En général, à haute tension, la résistance de contact est faible puisque la peau est percée. Il y aura brûlures localisées aux points de contact en plus d'autres brûlures. Évidemment, un contact à 5 000 V, 5 A ne peut être maintenu longtemps. La puissance est ainsi de 5 000 x 5 = 25 000 watts. Une telle puissance, si elle était uniformément répartie sur tout le corps humain élèverait la température de celui-ci d'environ 0.2°C par seconde. On sait qu'une élévation de température du corps de quelques degrés entraîne la mort. Il y a pire cependant. Cette élévation de température n'est pas uniforme et certaines parties du corps seront chauffées beaucoup plus rapidement que ce qui est donné plus haut.

Certaines sources à haute tension peuvent ne constituer aucun danger ou encore un danger faible. C'est le cas si la source a une impédance interne très élevée. Dans ce cas, le courant, même en cas de court-circuit, est limité à une valeur faible, en deçà du seuil dangereux. C'est le cas des transformateurs pour l'éclairage au néon qui, bien que la tension soit de plusieurs milliers de volts (jusqu'à 15 000 V), le courant de court-circuit est limité à 30 ou 60 mA. Aussitôt que le transformateur débite un certain courant, la tension chute rapidement. C'est aussi le cas du circuit haute tension sur les téléviseurs, le système d'ignition dans les véhicules automobiles, les filtres électroniques et quelques autres systèmes. Ce n'est cependant jamais le cas dans les systèmes d'éclairage, de prises de courant et les dispositifs usuels.

 

 

Électrisation des personnes

Pour qu'il y ait choc électrique, il faut que le courant entre dans le corps en un endroit et en sorte ailleurs. Nous excluons ici le choc électrostatique où il y a un transfert de charge d'un objet vers le corps humain ou vice-versa. Un seul contact sur un conducteur ne peut produire l'électrocution. Si une personne touche à un conducteur à 10 000 V et qu'il est isolé de tout autre conducteur, il n'y aura aucun courant qui circulera bien que le corps soit ainsi à cette tension. La personne se trouvera dans la position de l'oiseau qui se pose sur un conducteur à haute tension. L'oiseau ne se fera électrocuter que s'il touche simultanément à deux conducteurs ou, encore, à un conducteur et un objet mis à la terre.

La Figure 1 montre un système typique d'alimentation dans une résidence. Ce système est à 120/240 V et est aussi utilisé même en milieu commercial et industriel pour les installations de basses puissances comme l'éclairage, les prises de courant et divers petits appareils et dispositifs électriques.

Figure 1: Contact sur un circuit à 120/240 V

 

Une personne qui fait contact entre les conducteurs L1 et n ou entre L2 et n est soumise à une tension de 120 V. Si elle fait contact entre L1 et L2, elle est soumise à 240 V. 

Ces trois cas se produisent occasionnellement mais ils sont plutôt rares. Sur la figure, on montre aussi le conducteur de continuité des masses par la lettre m. C'est le conducteur nu ou avec isolant vert qui est mis à la terre et relié aux boîtiers métalliques des dispositifs électriques. 

Un contact fortuit entre L1 et m ou L2 et m produira le même effet que le contact entre L1 et n ou L2 et n. Ce type de contact fortuit est plus fréquent que les cas précédents bien qu'il n'arrive pas très souvent. Entre n et m, la tension est nulle et on peut toucher ces conducteurs sans danger, bien que cela ne soit pas recommandé.

Le cas le plus fréquent est celui où une personne touche un ou l'autre des conducteurs L1 ou L2 et fait simultanément contact avec le sol ou un objet mis à la terre tels un boîtier, une structure ou du déclin métallique. Dans cette condition, le courant passe à travers la personne et retourne à la source par les objets mis à la terre ou encore par le sol lui-même. La résistance du sol est très variable et dépend de nombreuses conditions telles que la nature et l'humidité du sol, la surface de contact et bien d'autres facteurs. Cette résistance peut aller de presque nulle à quelques centaines d'ohms. Dans la plupart des cas, cette résistance est faible par rapport à celle du corps et ainsi, elle ne limitera pas le courant.

Figure 2: Système triphasé

 

La Figure 2 montre un système triphasé, par exemple, à 600 V.  Le conducteur neutre n est mis à la terre.  Chacun des conducteurs A, B et C est à une tension de 600Ö3 = 347 volts par rapport au sol. Une personne touchant simultanément A et B, B et C ou C et A sera soumise à 600 V. Ce cas est rare. 

Le cas le plus fréquent est de toucher un des conducteurs A, B ou C et, simultanément, toucher le conducteur n ou la terre m. Dans ce cas, la personne sera soumise à 347 V. On aura remarqué que, dans les réseaux monophasés à 120/240 V, les chocs électriques sont presque toujours à 120 V. Dans les réseaux triphasés, les chocs électriques les plus courants sont à la tension nominale divisée par la racine carrée de trois.

Un autre cas de danger qui se présente en pratique est celui où une masse métallique devient électrisée parce qu'elle fait contact avec un conducteur électrique vivant. Ainsi cette masse métallique devient à la tension du circuit. La Figure 3 illustre ce cas. À gauche, nous montrons la source V et, à droite, une charge quelconque R dans son boîtier E.

Figure 3: Circuit électrique avec boîtier électrifié

 

Un conducteur vivant L alimente la charge à 120 V et le conducteur n est le conducteur de retour. En pointillé, nous montrons le conducteur m de continuité des masses qui relie le boîtier de la charge à la terre.

Supposons qu'une faute se produise et que le conducteur vivant L vienne en contact avec le boîtier. Dans cette condition, un courant élevé circulera dans le conducteur L pour revenir à la source par le conducteur m. Ce courant élevé fera rapidement ouvrir les fusibles en supposant que le conducteur de continuité des masses a une faible impédance. Le système est ainsi protégé.

Supposons maintenant que le conducteur de continuité des masses m ne soit pas utilisé ou encore est ouvert. 
Dans cette condition, suite à la faute au point K, le boîtier devient électrisé à 120 V. 
Toute personne qui touchera ce boîtier et le sol ou un objet qui y est relié prendra un choc électrique qui pourrait être mortel si les contacts de la personne sur le boîtier et le sol sont bons. 

Notons que si le boîtier est mis à la terre parce qu'il touche le sol ou un plancher de béton, le danger continu d'exister. En effet, la résistance du circuit de retour qui se fait dans le sol sera de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines d'ohms. À 120 V, le courant sera, au maximum, de quelques ampères et les protections n'ouvriront pas. 
Il faut que le chemin de retour du conducteur de continuité des masses ait une faible impédance pour faire ouvrir les protections en cas de problèmes.

Ce conducteur de continuité des masses correspond à la troisième patte ou borne ronde sur une prise de courant ou une fiche. Ce conducteur est inutile en fonctionnement normal et ne porte aucun courant. Il est cependant d'une grande utilité dans le cas de certaines fautes comme on vient de le voir.

 

 

Moyens de protection

Il existe de nombreux moyens de prévenir les électrocutions. Nous allons en étudier quelques-uns. À la section précédente, nous avons déjà discuté de la protection que constitue une mise à la terre et un conducteur de continuité des masses et nous ne reviendrons pas sur ce point. Il y a des solutions efficaces et évidentes que nous ne discuterons pas ici tels des clôtures, limitation d'accès, éloignement des conducteurs, isolation de ceux-ci et bien d'autres moyens mécaniques ou autres qui préviennent le contact accidentel. Cela fait l'objet de nombreux codes et procédures. Nous ne nous occupons ici que des principes.

 

 

Double isolation

Une façon efficace de protéger les personnes est de faire des appareils avec une double isolation. L'appareil (par exemple une perceuse) est construit de façon normale, avec les conducteurs qui sont isolés du boîtier. En plus, on ajoute une isolation supplémentaire au cas où le premier niveau d'isolation deviendrait défectueux. Cela pourrait être fait avec un boîtier entièrement construit en plastique. Il faudrait encore que le mandrin soit électriquement isolé des autres parties métalliques de la perceuse. C'est une solution intéressante mais qui suppose une vérification régulière. En effet, un des deux niveaux d'isolation peut devenir défectueux et il n'en reste alors plus qu'un seul. Ce premier défaut passera inaperçu sauf si l'appareil est vérifié régulièrement. Cette remarque aurait pu être faite en rapport avec le conducteur de continuité des masses que l'on a vu plus haut.

 

 

Circuit flottant

Pour alimenter certains petits appareils dans des endroits dangereux, on utilise parfois un transformateur d'isolation comme il est montré sur la Figure 4. 

Figure 4: Transformateur d'isolation

C'est utilisé souvent pour la prise de rasoir électrique d'une salle de bain. On notera que le circuit secondaire ou du rasoir n'est plus relié à la terre de quelque façon que ce soit. S'il y a faute et que le boîtier du rasoir vient à toucher à un conducteur vivant, cela ne causera aucun problème parce que la personne qui utilise le rasoir ne fermera aucun circuit et il ne circulera aucun courant.

On croit souvent que les systèmes mis à la terre sont plus sécuritaires que les systèmes flottants. C'est vrai dans beaucoup de cas, mais pas toujours comme l'a illustré l'exemple précédent.

 

 

Disjoncteur différentiel

Le disjoncteur différentiel ou encore de détecteur de courant de fuite à la terre (GFI, Ground Fault Interrupter), détecte le courant qui va à la charge et qui en revient. Si ces courants ne sont pas égaux, c'est qu'il y a un courant de fuite à la terre et le système ouvre un interrupteur après un temps très court. En général, une différence de 5 mA est suffisante pour ouvrir le circuit mais il existe d'autres sensibilités. Le temps d'ouverture est de l'ordre de millisecondes. Il va de soi que cela procure une très bonne protection contre l'électrocution dans le cas où il y a un courant de fuite à travers une personne vers le sol ou le conducteur de continuité des masses. Le circuit ne protège cependant pas contre un contact entre le conducteur vivant et le neutre.

La Figure 5 montre un schéma de principe du fonctionnement de ce système. Les deux conducteurs qui alimentent la charge passent à travers un noyau magnétique A. 

Figure 5: Détecteur de fuite à la terre

Si la somme des deux courants dans les conducteurs est nulle (le courant vers la charge est le même que celui qui en revient), alors le champ magnétique est nul et aucune tension n'est induite dans le circuit B. S'il y a un courant de fuite vers la terre, il y a un champ magnétique dans le noyau A et une tension induite dans la bobine B. Cette tension active le relais R et ouvre l'interrupteur S. En pratique, le signal électrique en B est petit. On ajoute un système d'amplification pour faire opérer le relais.

 

 

Animaux dans une étable

Les animaux, et, en particulier, les vaches dans une étable, sont souvent affectées par des problèmes électriques. Ces animaux sont placés dans des conditions très sévères par rapport à celles des humains du point de vue électrique. Ils sont placés sur un plancher de béton imbibé d'urine. Cela constitue un milieu plus conducteur que la plupart des sols bien que moins conducteurs que les métaux. Les pieds des animaux sont en contact solide avec ce plancher sans la protection de chaussures. Bien plus, l'animal peut être couché et le contact avec le sol est encore meilleur. Il est de plus attaché par un carcan ou une chaîne métallique autour du cou et il doit boire dans un abreuvoir métallique. Il suffit d'électrifier un ou l'autre de ces objets (abreuvoir, carcan, chaîne du nettoyeur ou même le système de traite) pour que l'animal soit soumis à un choc électrique.

Il va de soi que, à cause de ces conditions sévères, un choc à 120 V est presque toujours mortel. Déjà, une dizaine de volts présentent un danger sérieux. Cela vient du fait des conditions sévères et non d'une sensibilité particulière des animaux au courant électrique. La littérature fait état de problèmes observés à un volt et même un peu moins. Il est certain que quelques volts causent déjà des problèmes sérieux. Ces problèmes, en les classant par ordre de sévérité croissant sont: boire du bout de la langue comme un chat, refus plus ou moins prolongé de boire, les animaux se précipitent vers une source d'eau lorsqu'ils sont mis en liberté, réticence à la traite, rétention du lait et diminution de la production, maladie et mammite dans le troupeau et, évidemment, les contractions plus ou moins violentes et la mort.

La Figure 6 montre un schéma de circuit qui produit une tension entre la tension du neutre de l'étable et celle de la compagnie distributrice d'électricité. Entre A et B, on a l'impédance du câble d'alimentation entre le transformateur et l'étable. Si les charges ne sont pas équilibrées, il y a un courant dans le neutre. Les charges, en pratique, sont rarement équilibrées. Supposons que le câble aérien soit de calibre No 3 en aluminium. Sa résistance est de 0.001 W/m. Pour une longueur de 60 m, on a une résistance totale de 0.001 x 60 = 0.06 W. Avec un courant de déséquilibre de 50 A, il y aura une chute de tension de 3 V entre la prise de terre située à l'étable et celle située au transformateur. Il y aura aussi un faible courant dans le sol. Dépendant des conditions, les animaux seront alors soumis à une tension pouvant atteindre 3 V. En général, il ne seront soumis qu'à une fraction plus ou moins importante de ce 3 V.

Figure 6: Production d'une tension de neutre

 

 

Anciennes théories sur l'électrocution

Depuis plusieurs années, on connaît assez bien les dangers de l'électricité en ce qui concerne l'électrocution. Il va de soi que ces connaissances peuvent toujours être améliorées. Ce type d'étude n'est pas facile puisqu'il implique des êtres humains et des phénomènes internes à ceux-ci. Certaines expériences peuvent être conduites sans problèmes sur les êtres humains. C'est le cas, par exemple, de la résistance électrique du corps ou de l'effet des courants faibles. Pour des raisons évidentes, il n'est pas facile de faire des études dans des cas qui présentent des dangers bien que cela a pu être fait dans le cas d'électrocutions judiciaires ou suite à des accidents. Même des essais sur des animaux comportent de nombreuses restrictions et des protocoles sévères.

Il est intéressant d'examiner, très brièvement, certaines théories qui avaient cours, au tournant du siècle, concernant le processus de décès suite à une électrocution. La première électrocution semble être celle d'un menuisier à Lyon, en France en 1879 à 250 V, c.a. Aux États-Unis, elle a eu lieu à Buffalo, N.Y., en 1881 alors qu'un certain Smith qui avait trop bu a voulu montrer sa bravoure en touchant les bornes d'une génératrice à courant continu. Aux États-Unis, en 1888, il y avait déjà un total cumulatif d'environ 20 personnes électrocutées accidentellement. En 1910 seulement, 567 personnes sont décédées par l'électricité aux États-Unis. Il faut dire qu'au tournant du siècle, la vie d'une personne ne valait pas cher. Les règles de sécurité étaient beaucoup moins sévères qu'aujourd'hui.

Avant 1989, il y avait de nombreuses théories sur la cause de l'électrocution. Ces théories n'ont aucune valeur scientifique et sont rejetées depuis longtemps. Elles ne sont données brièvement que pour indiquer les connaissances limitées il y a seulement un siècle. Possiblement que plusieurs théories bien acceptées aujourd'hui feront rire nos descendants dans un siècle. Ces théories sont:

i) Le champ magnétique du courant empêche le sang de circuler dans les artères.
ii) L'équilibre des molécules du corps est tellement perturbé par l'électricité que la mort instantanée s'ensuit.
iii) L'électrocution force tout le sang vers la tête et, de là, s'ensuit la mort.
iv) L'électricité ferme les vaisseaux sanguins et empêche la circulation du sang.
v) Pour que l'électrocution se produise, il faut que le système électrique soit mis à la terre.
vi) Le courant remplit le corps de fluide électrique, ce qui cause la mort.

D'autres théories ont aussi été proposées. Ces théories font sourire aujourd'hui. Cependant vers 1890, la théorie sur l'électrocution était assez semblable à celle que nous avons aujourd'hui, bien que beaucoup moins raffinée et documentée.

 

 

Électrocution judiciaire

Les méthodes d'exécution des condamnés à mort ne sont jamais humanitaires. La guillotine est répugnante et pas très propre. La pendaison n'est pas toujours très efficace. Le condamné, à l'occasion, peut survivre pendant quelques minutes. Le bourreau doit alors augmenter la pression en tirant sur les jambes du condamné. Dans certains cas, le cou se sépare du tronc. En 1886, une commission d'étude américaine s'est penchée sur le problème pour trouver une façon plus humanitaire d'exécuter les condamnés. En 1888, l'État de New-York adoptait l'électrocution pour exécuter les condamnés. On croyait que cette méthode était très efficace et sans douleur. Tillie Ziegler, en 1989, dans l'État de New York, est devenu célèbre en étant la première personne exécutée légalement par l'électricité. Suite à cette exécution, un journal titrait: "The first legal electrocution: A grand success".

Pour l'électrocution, le condamné est assis et attaché sur une chaise et on fait sur lui un certain nombre de contacts sur lesquels on applique environ 2 000 V en courant alternatif. Ces contacts peuvent être de différentes nature et à différents endroits. À titre d'exemple, on utilise des contacts au cou et au bas du dos. On utilise aussi des contacts aux membres ou sur la tête. Ces contacts sont faits avec des anneaux métalliques sous lesquels on place une éponge imbibée d'un électrolyte. On a même utilisé des récipients d'électrolyte dans lesquels on place les membres.

À cause de ces bons contacts et de la tension, les courants mis en oeuvre sont de quelques ampères. Dans ces conditions beaucoup de condamnés survivent au premier choc et l'opération doit être répétée à quelques reprises. Il y a souvent des brûlures et une senteur de chair carbonisée qui se dégage. Il semblerait que l'électrocution n'est pas la façon idéale de réaliser les hautes oeuvres de la justice.

Les premières exécutions ont donné lieu à de nombreuses discussions. Edison a argumenté fortement pour qu'on utilise le courant alternatif; il avait un intérêt dans le courant continu. Les journaux américains de l'époque ont fait grand état de cette façon d'exécuter les condamnés. Les arguments étaient souvent violents et pas toujours rigoureux. Plusieurs mots ont été suggérés ou utilisés pour décrire le procédé. Parmi ceux-ci, on a eu: "amperemort, dynamort, electromort et electricide". Edison avait insisté pour qu'on utilise une machine à courant alternatif de marque Westinghouse pour la première exécution. Il soutenait que le courant alternatif n'était d'aucune utilité sauf électrocuter les personnes. Edison, bien qu'il ait un grand nombre d'inventions à son crédit, n'était pas toujours très rigoureux. Un de ses associés a d'ailleurs utilisé des termes comme: "to westinghouse a person", "a criminal has been westinghoused" et "a man was condemned to the westinghouse", pour décrire l'électrocution.

 

 

Bibliographie

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