Maxwell en aurait rêvé

James Clerk Maxwell. Il a notamment démontré que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace sous forme d'un onde. En fond, champ électromagnétique dans une antenne hyperbolique.

Avez-vous déjà vu un champ magnétique ? Ou un champ électrique ? Non, ce sont des entités invisibles, qu’on ne peut deviner que par les effets qu’ils exercent sur les objets, c'est par exemple le cas d'un aimant, dans le cas du champ magnétique. Pourtant, les chercheurs de l’Onera ont réussi à mettre au point un système pour visualiser les champs électromagnétiques (combinant un champ électrique et un champ magnétique). Auparavant, pour parvenir au même résultat, il fallait déployer un grand nombre de capteurs en de nombreux endroits d’une pièce, pour connaître le champ point par point.

Une première : la visualisation simultanée des profils de champs électrique (proportionnel à la tension, en bas) et magnétique de surface (proportionnel au courant, en haut), en opposition de phase comme le prédit la théorie.

L'expérience correspondant à l'image précédente où l'on a disposé des films (l'un conducteur, l'autre magnétique) dont les échauffements sont enregistrés par une caméra infrarouge, pour une onde TEM [Transverse électrique magnétique]
 

Le principe d’Emir (Electromagnétique et Infrarouge) est simple : une onde électromagnétique interagit avec les objets conducteurs et les chauffe : c’est l’effet Joule. C’est par exemple ce qui se passe dans un four à micro-ondes. Ici, on utilise un film légèrement conducteur et très fin. Ce film chauffe légèrement, et on filme l’échauffement avec une caméra à infrarouge (capable de voir des différences de température).

L’échauffement est proportionnel à l’énergie du champ électromagnétique : plus le champ est fort, plus le film s’échauffe. « Nous avons testé plusieurs types de films, car il fallait qu’il soit conducteur, mais pas trop, raconte François Issac, ingénieur de recherches à l’Onera de Toulouse. Un film non conducteur ne subit aucun échauffement, car il n’interagit pas du tout avec le champ électromagnétique. Un film très bon conducteur ne s’échauffe pas non plus, toute l'énergie est réfléchie, seuls les « mauvais » conducteurs s’échauffent beaucoup. » Les films testés sont soit un polymère de la société Dupont de Nemours, chargé en carbone conducteur, soit un polymère recouvert d’un dépôt métallique, soit des encres conductrices déposées sur un film isolant.

Le film est tendu sur la zone à analyser. On le filme avec la caméra infrarouge, ce qui offre une cartographie à deux dimensions. Pour obtenir une cartographie à trois dimensions, il faut reproduire la mesure sur différents plans. « Nous avons développé une technique de traitement de signal qui permet d’éliminer les phénomènes parasites, comme la convection et la conduction, qui transfèrent la chaleur d’une zone à l’autre du film, et perturbent la mesure », précise François Issac.

Formation du champ électrique en sortie d'une antenne en "réseau de patchs". Plusieurs plans de mesure permettent d'établir une cartographie à trois dimensions.

Emir permet de mesurer des champs électromagnétiques à partir de 10 à 30 volts par mètre. Or, les normes régissant les champs électromagnétiques maximum autorisés près des appareils électriques sont de cet ordre de grandeur. Cette technique pourrait donc permettre de vérifier que les appareils respectent la norme. « Nous essayons de gagner en sensibilité, pour mesurer des champs de 3 à 10 V/m, souligne François Issac. Pour cela, nous travaillons sur le traitement du signal, pour améliorer le rapport signal sur bruit, nous nous intéressons au champ magnétique en plus du champ électrique, et nous tentons d’améliorer la qualité des films, afin qu’ils produisent davantage de rayonnement infrarouge pour un champ donné. »

Visualisation par EMIR de "fuites" de champ électrique par des points de la verrière du cockpit d'un avion Rafale.

Actuellement, Emir est surtout utilisé dans les laboratoires de recherche de l’Onera, pour vérifier qu’il n’existe pas de fuite lorsqu’on souhaite que le champ magnétique reste confiné, ou pour s’assurer qu’il ne pénètre pas là où il ne le doit pas, par exemple dans une soute d’avion ou un réservoir de kérosène.  Cette mesure est relativement coûteuse, à cause du prix des caméras infrarouge ultra-sensibles (de l'ordre de 50 000 €), mais elle est simple à mettre en œuvre. « La technique d’Emir est unique au monde, et le principe est très astucieux, s’enthousiasme Emmanuel Rosencher †, directeur scientifique de la branche physique à l’Onera. Pour la première fois, on visualise réellement le champ électromagnétique, qui semble habituellement si mystérieux. Jusqu’ici, on ne mesurait que le champ électrique ; on arrive maintenant à voir le champ magnétique. L’image où l’on observe le champ électrique et le champ magnétique en quadrature de phase (l’un est fort quand l’autre est faible) est spectaculaire ! ».

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

Cet article est dédié à la mémoire de Patrick Lévesque, chercheur à l'Onera, récemment décédé. Patrick Lévesque avait développé la méthode Emir dans le cadre de travaux précurseurs sur la thermographie infrarouge.