Etat de l’art sur les décharges électriques dans les gaz

Décharges électriques dans les gaz et plasma 

L’apparition des décharges électriques dans un gaz conduit à la création d’un plasma. Observés depuis toujours au travers des manifestations des phénomènes électriques et électromagnétiques dans l’atmosphère (foudre, aurore boréale), les plasmas ont été artificiellement produits pour la première fois en 1879 par le chimiste anglais, William Crookes. Le terme « plasma » fut introduit pour la première fois en physique en 1928 par le chercheur américain Irving Langmuir [2][3][4]. En raison de leurs propriétés physiques spécifiques, les plasmas constituent aujourd’hui un domaine à part entière de la physique. Présents dans les domaines de la production d’énergie et de l’éclairage, ils trouvent également de nombreuses applications dans des secteurs très variés, tels que le traitement d’effluents gazeux (polluants et particules), le traitement de surface ou les applications médicales [5 [6].

Définition et grandeurs principales liées au plasma 

La matière existe généralement sous trois états différents : l’état solide, l’état liquide et l’état vapeur ou gazeux. L’état solide de la matière est caractérisé par de fortes liaisons entre les atomes ou molécules ; c’est grâce à cette caractéristique que les constituants de la matière occupent un volume connu et ont une forme bien définie. Lorsque la température augmente, nous passons à l’état liquide où les atomes peuvent « glisser » les uns par rapport aux autres ; nous perdons ainsi la rigidité de la matière. En chauffant encore cette matière, nous atteignons alors l’état gazeux (hors sublimation) où les atomes peuvent se déplacer librement. Pour des plus hautes températures, l’ionisation de la matière fait apparaître des populations d’ions et d’électrons. Cet état de la matière globalement neutre composé d’ions, de neutres et d’électrons « libres » est appelé plasma .

Nous distinguons deux principales catégories : les plasmas chauds et les plasmas froids au sein desquels on différencie les plasmas thermiques des plasmas non thermiques. Pour les plasmas chauds, la pression élevée du gaz favorise grâce aux collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) la transmission de l’énergie. Nous obtenons alors un plasma à l’équilibre thermodynamique, ce qui signifie que toutes ces particules ont pratiquement la même quantité d’énergie [11]. Nous retrouvons le même phénomène pour les plasmas dits thermiques, mais de manière locale uniquement. Ainsi l’équilibre thermodynamique n’est atteint qu’en certains points du plasma, et un gradient de température et de densité d’espèces existe entre différents points de ce plasma. Les plasmas non thermiques apparaissent généralement sous de faibles pressions [9]. Dans ces conditions, le parcours moyen des particules devient plus long, les interactions entre les différentes espèces sont peu importantes. Le transfert d’énergie s’effectue essentiellement par les collisions impliquant les électrons (seuls les électrons sont portés à haute température). L’équilibre thermique ne peut être atteint. En effet, sous l’action d’un champ électrique, les électrons libres peuvent acquérir des énergies suffisamment élevées pour ioniser par collision les atomes ou molécules. A l’échelle macroscopique, les particules lourdes sont à température proche de l’ambiante, d’où l’appellation plasmas froids ou plasma hors équilibre thermodynamique. Il est également possible d’obtenir un plasma froid dans un gaz à une pression proche de la pression atmosphérique et à température ambiante. En appliquant un champ électrique intense au gaz, la densité d’électrons libres sera suffisante pour initier les phénomènes conduisant à la création d’une décharge électrique. C’est autour de ce phénomène physique que nous détaillerons et axerons nos études.

Notions de base pour la formation des décharges électriques 

La création d’une décharge électrique dans un gaz est la conséquence d’un transfert d’énergie cinétique par collisions entre les électrons accélérés par le champ électrique et les particules neutres. Les électrons sont ainsi responsables de la création et de l’entretien d’une décharge électrique[14]. En se restreignant aux collisions binaires, nous distinguons deux types de collisions [9]:
◆ les collisions élastiques : au cours desquelles le choc entre les particules ne conduira qu’à dévier leur trajectoire sans modification de leur énergie interne. Il y a conservation de l’énergie cinétique et de la quantité de mouvement du système.
◆ Les collisions inélastiques : au cours desquelles le choc entre les particules provoquera une augmentation d’énergie interne pouvant conduire à l’ionisation d’une particule et participer ainsi à la création et au développement de la décharge électrique.

Pour obtenir un amorçage d’une décharge électrique il est nécessaire d’avoir au moins un électron dans le volume de gaz contenu dans l’espace inter-électrodes. Ces électrons qui sont la cause de l’initiation de la décharge sont appelés « électrons germes » ou « électrons primaires ». Ils peuvent être crées par des rayons cosmiques, radioactivité naturelle ou source ionisante artificielle .

Formation des décharges électriques 

Considérons un gaz entre deux électrodes planes conductrices sur lesquelles on impose une différence de potentiel. Un électron présent dans cette zone sera accéléré par le champ électrique et pourra acquérir l’énergie suffisante pour ioniser par collision une particule neutre. Chaque électron créé par ionisation contribuera à son tour durant son déplacement vers l’anode à la création d’autres électrons et d’autres molécules ionisées. La succession de ces phénomènes d’« ionisation primaire » génère une avalanche électronique à l’origine d’une décharge électrique.

Cependant, les électrons créés uniquement par collisions ionisantes ne sont pas suffisamment nombreux pour l’entretien de la décharge, nécessitant un renouvellement des électrons germes à l’issue de l’avalanche. Un autre phénomène intervient parallèlement à celui-ci, c’est le phénomène d’émission secondaire. En effet les ions créés au cours de l’avalanche à proximité de la cathode seront accélérés par le champ électrique vers cette dernière, et pourront par impact sur le métal produire une émission d’électrons si leur énergie cinétique est supérieure au travail de sortie des électrons du métal. Ces électrons constitueront alors une nouvelle source d’électrons germes .

Loi de Paschen

L’un des paramètres les plus importants à prendre en considération durant l’étude des décharges est la tension de claquage du gaz. Dans la situation d’un champ électrique homogène appliqué à un intervalle gazeux, cette tension de claquage peut être prédite grâce à la loi de Paschen qui lie le produit distance inter-électrodes × pression à cette tension. Une forme analytique de la loi de Paschen peut être proposée en considérant les différents phénomènes physiques qui décrivent la décharge .

Coefficients de Townsend

La loi de Paschen décrit le mécanisme de rupture de Townsend dans un gaz situé dans un intervalle (entre les deux électrodes) où les deux paramètres principaux sont la pression et la longueur de cet intervalle appelée distance inter-électrodes. Comme rappelé précédemment, les électrons joue un rôle prépondérant dans la création et l’auto-entretien de la décharge. Durant le phénomène, les électrons sont produits soit par ionisation primaire (collisions électrons / molécules), soit par émission secondaire. Ces deux mécanismes font intervenir deux coefficients essentiels pour notre étude.
◆α appelé premier coefficient de Townsend
◆γ appelé second coefficient de Townsend .

Second coefficient de Townsend γ

Le phénomène d’avalanche électronique reposant sur le premier coefficient de Townsend seul ne permet pas de décrire l’ensemble du mécanisme de la décharge électrique. En effet, ce qui permet d’entretenir la décharge dans l’intervalle gazeux (sans source externe d’électrons-germe) est le phénomène d’émission secondaire. En particulier, sous l’action du champ électrique, les ions sont accélérés vers la cathode et bombardent cette dernière pour en extraire un ou plusieurs électrons secondaires, à la condition que l’énergie cinétique des ions excède la valeur de travail de sortie des électrons du métal. Il est à noter que d’autres mécanismes d’émission secondaire interviennent, soit dans le gaz comme la photo-ionisation, soit au niveau des électrodes comme la photoémission, ou encore l’émission des électrons du métal par action des espèces neutres métastables [14]. Le second coefficient de Townsend traduit le phénomène d’émission secondaire, qui se limitera par la suite à l’émission d’électrons à partir de la cathode bombardée par les ions issus de l’ionisation primaire [9]. Ce coefficient dépend donc entre autres de la nature du métal des électrodes [24] et de la nature et de l’énergie des ions incidents.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art sur les décharges électriques dans les gaz
I.1 Introduction
I.2 Décharges électriques dans les gaz et plasma
I.3 Définition et grandeurs principales liées au plasma
I.4 Notions de base pour la formation des décharges électriques
I.5 Formation des décharges électriques
I.6 Loi de Paschen
I.6.1 Coefficients de Townsend
I.6.1.1 Premier coefficient de Townsend α
I.6.1.2 Second coefficient de Townsend ?
I.6.2 Tracé de la loi de Paschen
I.6.3 Influence de la nature du gaz et des électrodes (cathode)
I.6.4 Influence des paramètres environnementaux
I.6.4.1 Correction en fonction de la température de Peek
I.6.4.2 Correction en fonction de la température de Dunbar
I.6.4.3 Correction en fonction de l’humidité
I.7 Discussion autour de la loi de Paschen dans de l’azote
I.7.1 Courbe de Paschen tracée pour les paramètres A et B calculés et empiriques
I.7.2 Influence de l’énergie d’ionisation i sur la courbe de Paschen
I.7.3 Influence du coefficient d’émission secondaire γ sur la courbe de Paschen
I.7.4 Influence de la section efficace de collision ionisante σ sur la courbe de Paschen
I.7.5 Influence de la température T sur la courbe de Paschen
I.7.6 Courbe Paschen en champ hétérogène
I.7.6.1 Présentation de la géométrie à champ hétérogène dans le cas d’une géométrie pointe/plan
I.7.6.2 Présentation de la géométrie à champ hétérogène dans le cas d’une géométrie fil/plan
I.7.6.3 Comparaison entre le cas en champ homogène et les deux cas où le champ est hétérogène
I.8 Décharges en présence de diélectriques solides (décharge à barrière diélectrique)
I.9 Décharges partielles
I.10 Classification des décharges partielles
I.11 Caractérisation électrique des décharges partielles
I.11.1 Décharge partielle dans une cavité
I.11.2 Décharge couronne
I.12 Méthodes de détection et de mesure des décharges partielles
I.13 Méthode de reconnaissance des décharges partielles
I.14 Contraintes subies par les systèmes d’isolation
I.14.1 Contraintes et vieillissement thermiques
I.14.2 Contraintes et vieillissement électriques
I.15 Conclusion
Chapitre II : Description des connecteurs étudiés et des bancs expérimentaux
II.1 Introduction
II.2 Description des connecteurs étudiés
II.2.1 Description de la fiche mâle
II.2.1.1 Description de la carrosserie métallique de la fiche mâle
II.2.1.2 Description du bloc isolant mâle
II.2.1.3 Description des électrodes de contact mâle
II.2.2 Description de l’embase femelle
II.2.2.1 Différence entre les blocs isolants d’une fiche mâle et d’une embase femelle
II.2.2.2 Différence entre les électrodes de contact mâles et femelles
II.3 Dispositifs et bancs expérimentaux
II.3.1 Banc de mesure des tensions d’amorçage en fonction des conditions environnementales aéronautiques
II.3.2 Banc d’identification des types de décharges partielles
II.3.2.1 Matériel utilisé
II.3.2.2 Base de données de signatures de certains types de décharges partielles
Chapitre III : Modélisation électrostatique de la fiche mâle
III.1 Introduction
III.2 Rappels théoriques et équations numériques
III.3 Rappels des spécificités géométriques du connecteur
III.4 Modélisation électrostatique de la fiche mâle
III.4.1 Modélisation du point triple clip de rétention
III.4.2 Modélisation des points triples électrode de contact/surface et électrode de
contact/interne
III.4.2.1 Modélisation du point triple électrode de contact/interne
III.4.2.2 Modélisation du point triple électrode de contact/surface
III.5 Discussions et pistes d’amélioration
III.6 Conclusion
Chapitre IV : Campagnes expérimentales sous tension continue
IV.1 Introduction
IV.2 Méthodologie et protocole de mesure de tensions d’amorçage en DC
IV.2.1 Distance inter électrode
IV.2.1.1 Distance inter-électrodes : fiche male
IV.2.1.2 Distance inter-électrodes : embase femelle
IV.2.2 Protocole de montée en tension
IV.3 Mesures des tensions d’amorçage sur des connecteurs neufs en fonction de la pression
IV.3.1 Mesures des tensions d’amorçage sur des connecteurs neufs en fonction de la pression : fiche mâle
IV.3.2 Mesures des tensions d’amorçage sur des connecteurs neufs en fonction de la pression : comparaison entre fiche mâle, embase femelle et connecteur accouplé
IV.3.3 Mesures des tensions d’amorçage sur des connecteurs neufs en fonction de la pression : fiches mâles sans clips
IV.3.4 Validation des observations visuelles par tracé de courbes de Paschen sur les connecteurs
IV.3.4.1 Validation des observations visuelles par tracé de courbes de Paschen sur les connecteurs : fiche mâle
IV.3.4.2 Validation des observations visuelles par tracé de courbes de Paschen sur les connecteurs : embase femelle
Conclusion générale

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