Soutenance mémoire
Amorçage et structure de la décharge d’arc
Généralités sur les plasmas
Le mot plasma est utilisé pour désigner un milieu gazeux globalement neutre composé d’ions et d’électrons. Plus généralement, on l’emploi pour décrire un milieu gazeux ionisé pouvant contenir une forte proportion de particules électriquement neutres. Le plasma est l’état de la manière le plus répandu dans l’univers. On distingue les plasmas chauds (plasma de fusion) des plasmas froids, ou plasmas des décharges électriques. Les premiers sont l’objet du pari ambitieux des hommes de réalisés un réacteur nucléaire utilisant l’énergie de fusion entre des noyaux légers de deutérium et de tritium. La température de ces plasmas se chiffre en millions de degrés.
Les plasmas froids sont les milieux ionisés dans lesquels la température des particules ne dépasse pas quelques dizaines de degrés. Dans les plasmas froids, on distingue les plasmas thermiques, où toutes les espèces de particules (électrons, ions, atomes, molécules) ont des températures voisines, des plasmas hors d’équilibre où les électrons possèdent une température beaucoup plus élevée que celle des particules lourdes. Les plasmas hors d’équilibre peuvent être crées à basse pression (micro-ondes, décharges continues) ou à pression atmosphérique (décharge couronne). Les particules lourdes gardent une température voisine de la température ambiante, alors que les électrons acquièrent une énergie suffisante pour créer des collisions inélastiques d’excitation, de dissociation et d’ionisation qui rendent le milieu très réactif. Cette propriété a été mise à profit dans un grand nombre d’application liées à la chimie et aux traitements des matériaux.
Les plasmas thermiques, peuvent être crées par des décharges continu (arcs). Ils peuvent également être crées par haute fréquence, par laser, par onde de choc à une pression suffisamment élevée pour que la fréquence des collisions conduise à l’équipartition de l’énergie entre les diverses sortes de particules qui les composent. Ils sont alors définis à partir d’une température unique.
Processus de formation de l’arc électrique
Passage continu des décharges non autonomes aux décharges auto entretenues
Puisque l’arc électrique peut être défini comme une décharge à fort curant, il est possible de créer un arc entre deux électrodes en amorçant une décharge à courant faible, et en le faisant croire progressivement.
Décharge non autonome
On sait que les gaz sont généralement de bons isolants, néanmoins, sous certaines conditions, il est possible de les faire traverser par un courant de particule chargée. On dit alors que le gaz est le siège d’une décharge.
Zone de collection avec multiplication
La valeur du courant de saturation est étroitement dépendante des conditions expérimentales. En moyenne, elle peut être voisine de 10⁻¹⁰ A. si on continu de faire croitre la tension, un phénomène nouveau apparait. Les électrons accélérés dans le champ interélectrodes acquièrent une énergie suffisante pour ioniser les atomes ou molécules du gaz de remplissage. Ils créent ainsi de nouveaux électrons qui sont, à leur tour accéléré, et peuvent ioniser d’autres atomes ou molécules. C’est une avalanche qui entraîne une augmentation extrêmement rapide du courant.
Lorsqu’on continue à faire croitre la tension, le courant continue à s’élever et il peut atteindre la valeur de 1 A si la pression est suffisante. Cela vient de la combinaison de trios effets, dont l’un est prépondérant :
❖ L’ion crée dans le volume du gaz est accéléré dans le champ jusqu’à la cathode où il donne naissance à un électron secondaire. On a vu que, pour chaque électron quittant la cathode, il en arrive exp(αd) sur l’anode. Chaque électron donne naissance à [exp(?? − 1] paires d’ions qui tombent à leur tour sur la cathode et extraient γ [exp(??) − 1] électrons est le deuxième coefficient de Townsend. Il représente la probabilité qu’un électron secondaire soit émis par la cathode sous l’effet du bombardement d’un ion positif ;
❖ Les photons émis dans le volume du gaz peuvent également contribuer à l’extraction d’électrons ;
❖ Les atomes neutres excités-particulièrement les atomes métastables du gazpeuvent se désexciter à la surface de la cathode et provoquer l’émission d’électrons.
Ces deux derniers mécanismes interviennent pour une faible part.
Décharge de Townsend
La décharge est caractérisée par une résistance interne dynamique ??/?? nulle. Quelle que soit la force électromotrice de la source, la différence de potentiel aux bornes de la décharge est fixe et constante. Elle est appelée tension d’amorçage statique VS .
Décharge luminescente
Lorsqu’on fait croitre le courant de la décharge de Townsend, la tension commence par décroitre. Cette partie de la caractéristique constitue une zone de transition entre la décharge de Townsend et la décharge luminescente. Dans cette zone, on a :
??/?? < 0
La décharge luminescente est dite normale lorsque dV/dI = 0, et anormale lorsque ??/?? > 0.
La décharge luminescente normale se caractérise par l’apparition de plusieurs zones luminescentes diffuses et par une ddp constante entre électrodes. Précisons les effets cathodiques qui montrent les différences existant par rapport à une décharge d’arc:
❖ Le champ électrique près de la cathode décroit linéairement en fonction de la distance x ;
❖ Tous les électrons de la cathode sont émis sous l’effet du bombardement ionique (deuxième coefficient de Townsend γ) ;
❖ La région cathodique se comporte comme un tube à décharge de Townsend, le courant n’est limité que par la résistance extérieure.
Cependant, lorsque la décharge recouvre la totalité de la surface de la cathode, elle présente un caractère dit « anormale ».
Amorçage par surtension
Lorsque la tension appliquée dépasse une valeur critique ?? appelée tension disruptive (ou tension de claquage) une décharge s’amorce entre les électrodes. Si la source ne limite pas le courant, cette décharge dégénère en arc de façon irréversible.
Courbe de Paschen
Une décharge peut s’amorcer dans un champ électrique à condition de produire des électrons libres (dits électrons primaires, ou électrons germes). Ces électrons sont créés enpermanence dans l’air atmosphérique par les rayons cosmiques ou par la radioactivité naturelle au nombre de 10 à 20 par ??³ et par seconde. Cependant, pour que la décharge se développe, la tension entre électrodes doit atteindre la tension d’amorçage ?? (que l’on ne différencie généralement pas de la tension disruptive ??, sauf dans le cas de la décharge couronne).la loi de Paschen donne la relation entre ?? , la pression p, et la distance interélectrodes d.
Le premier coefficient de Townsend α dépend du nombre de collisions effectuées par l’électron sur 1 cm de parcours, il dépend donc de p, mais il dépend également de l’énergie qu’il aura pu acquérir entre deux collisions, c’est-à-dire sur un libre parcours moyen λ ; il dépend donc de E, et plus précisément du produit Eλ, c’est-à-dire de E/p appelé champ électrique réduit. Le champ E étant supposé uniforme, on a :
?? = ?? / d.
La condition d’auto entretien relie donc ?? et pd et on a :
?? = f(pd).
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : ETAT DE L’ART
Chapitre I : Amorçage et structure de la décharge d’arc
I.1 Généralités sur les plasmas
I.2 Processus de formation de l’arc électrique
I.3 Applications des arcs électriques
Chapitre II : Phénomènes aux électrodes
II.1 La zone cathodique
II.2 La zone anodique
II.3 Bilan d’énergie aux électrodes
Chapitre III : Arc dans le vide
III.1 La caractéristique courant-tension
III.2 La région cathodique
PARTIE II : MATERIELS ET METHODES
Chapitre V : Le moteur pas à pas
V.1 Définition et caractéristique
V.2 Les différents moteurs pas à pas et leur fonctionnement
V.3 Connections et câblages du moteur pas à pas
Chapitre VI : La carte Arduino
VI.1 Les différents cartes Arduino
VI.2 Les modes de communication
VI.3 Les langages de programmation C/C++
Chapitre VII : Commande d’un moteur pas à pas par la carte Arduino Uno
VII.1 La carte Arduino Uno
VII.2 Le circuit intégré L293D
VII.3 Les connections du L293D avec un Arduino Uno et un moteur pas à pas bipolaire
VII.4 Programmation de l’arduino pour commander le moteur pas à pas
Chapitre VIII : Le dispositif expérimental
VIII.1 La partie mécanique
VIII.2 La partie électronique de puissance (commande)
VIII.3 Sécurités
PARTIE III : INTERPRETATIONS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX
Chapitre IX : Mesures électriques
IX.1 Mesure de tensions d’arc entre deux contacts horizontaux
IX.2 Mesure électrique entre deux contacts verticaux(Aluminium-Aluminium)
Chapitre X : Mesure thermique
X.1 Mesure de la température à 2mm de l’arc entre deux contacts horizontaux
X.2 Présentation de toute les courbes de la température
CONCLUSION
Annexe
Bibliographie
Webographie
