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Un champ électrique (CE) est la région de l'espace autour d'un objet chargé ou d'un conducteur où une force électrique agit sur d'autres charges. Mesuré en volts par mètre (V/m), il décrit la force et la direction de cette force. Une charge d'essai positive placée dans un CE subit une force le long des lignes de champ ; le champ s'éloigne des charges positives et se dirige vers les charges négatives. En termes pratiques, le CE est ce qui fait bouger les électrons dans un fil, ce qui maintient les plaques de condensateur séparées et ce qui accélère les particules dans les équipements haute tension.

L'intensité du champ varie considérablement avec la distance et la géométrie. Près d'une charge ponctuelle unique, le CE suit une loi du carré inverse, diminuant en 1/r². Entre des condensateurs à plaques parallèles, le champ est presque uniforme à travers l'espace et proportionnel à la tension appliquée divisée par la séparation des plaques. Dans les câbles coaxiaux, le champ est radial et dépend logarithmiquement du rapport des rayons. Les lignes de transmission haute tension génèrent des intensités de CE de milliers de volts par mètre dans l'air qui les entoure, c'est pourquoi la décharge corona (lueur d'ionisation) devient visible par temps humide.

Claquage du champ et réponse des matériaux

Chaque matériau isolant a une rigidité diélectrique : le CE auquel il cesse d'isoler et commence à conduire. L'air se décompose autour de 3 MV/m dans des conditions standard, bien que l'humidité, la pression et la contamination par les particules réduisent cette valeur. L'huile minérale supporte environ 20 à 30 MV/m. Les films polymères varient considérablement, de 10 à 200 MV/m selon la composition et l'épaisseur. Dans les transformateurs, les câbles et les condensateurs, le contrôle de la distribution du CE est essentiel pour éviter les pannes. Des champs inégaux concentrent les contraintes localement, provoquant un claquage prématuré.

Les calculs de CE sont à la base de la conception des isolateurs, des distances d'isolement des appareillages de commutation et de la géométrie de mise à la terre. Les ingénieurs utilisent l'équation de Laplace et la modélisation numérique de champ (analyse par éléments finis) pour cartographier les lignes de champ dans des géométries complexes et identifier les zones de forte contrainte. Les distances de fuite sur les cartes de circuits imprimés, l'espacement des électrodes dans les appareillages de commutation et l'épaisseur du composé d'enrobage existent tous pour maintenir le CE en dessous des limites de sécurité. Un champ qui semble faible en volts par mètre peut toujours provoquer une défaillance s'il est concentré par des arêtes vives ou des limites de matériaux.

Le terme est interchangeable avec intensité de champ électrique, intensité de champ ou simplement champ dans le contexte. Il distingue la grandeur vectorielle (direction et grandeur) du potentiel, qui est scalaire. En pratique, les techniciens mesurent rarement le CE directement ; ils l'infèrent plutôt à partir des mesures de tension et de la géométrie. Cependant, la compréhension du concept de CE est essentielle pour diagnostiquer les défaillances d'isolation, concevoir les distances d'isolement et prédire quand l'équipement va arquer ou tomber en panne en cas de surtension.