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Les plasmas sont considérés comme le quatrième état de la matière. On les trouve à l’état naturel dans l’espace au niveau des étoiles, sur terre dans l’ionosphère, ou bien encore lors d’une décharge de foudre, qu’au niveau de notre vie quotidienne lorsque un interrupteur ou un disjoncteur commute, ou en allumant une lampe fluorescente.
Au début du XIXème siècle, l’expérience menée par le physicien anglais Humphry Davy fit apparaitre la première fois le phénomène d’un arc électrique établi entre deux électrodes de carbone [1]. C’est ainsi que commença l’étude du plasma thermique. A cette époque, seules les méthodes empiriques furent utilisées.
Simultanément à l’évolution des puissances des ordinateurs, divers techniques de diagnostique ont été établies pour avoir une compréhension détaillée du milieu plasma. Compte tenu du coût élevé de l’expérience et du nombre important des paramètres, la modélisation est incontournable. Dans les années 70, une première approche sur les modèles 1D permettant d’obtenir un profil de température est apparue [2]. Puis, la modélisation d’un arc libre en 2D axisymétrique est menée dans les années 80 [2]. Enfin, depuis ces dernières années, des modèles en 3D avec des géométries plus proches des procédés, prenant en compte plus de phénomène physique, sont apparus .
Généralité sur le plasma
Le plasma, état de la matière la plus rependu dans l’univers, est un gaz ionisé électriquement neutre. Il compose les milieux stellaires, les ionosphères et les magnétosphères planétaires. Il entre également dans la composition des décharges électriques naturelles (foudre) ou créées par l’homme (lasers, lampes, arcs, etc.).
On distingue les plasmas chauds des plasmas froids. Les plasmas chauds sont ceux des fusions nucléaires, leurs températures sont de l’ordre de millions de degrés. Les plasmas froids, parmi lesquels on trouve les plasmas des décharges électriques, sont des milieux ionisés dans lesquels la température des particules ne dépasse pas quelques dizaines de milliers de degrés. Il existe deux catégories de plasmas froids :
➤ Plasmas thermiques : toutes les espèces de particules ont des températures voisines. Les collisions sont suffisantes pour assurer l’équipartition de l’énergie entre les diverses sortes de particules qui les composent.
➤ Plasmas hors d’équilibre : les électrons dont sa température est plus élevée que celles des particules lourdes ont une énergie suffisante pour assurer l’ionisation du milieu.
Modèle d’équilibre thermodynamique
On ne parle l’équilibre thermodynamique que dans les plasmas thermiques. Le plasma contenu dans une enceinte isotherme est en équilibre thermodynamique si on peut décrire à l’aide d’un certain nombre de variables macroscopiques (température, pression,…) son état physique.
Il existe plusieurs types d’équilibre thermodynamique :
➤ L’équilibre thermodynamique complet (ETC) : le plasma est optiquement épais ; il y a réabsorption du rayonnement émis (Chaque processus est contrebalancé par le processus inverse) : c’est le principe de micro – réversibilité.
➤ L’équilibre thermodynamique local (ETL) : le plasma est optiquement mince donc il n’y a que réabsorption partielle du rayonnement à certaines longueur d’onde, une grande part du rayonnement s’échappe. Les processus radiatifs sont donc négligeables par rapport aux processus collisionnels. [5]. C’est-à-dire, l’équilibre d’un plasma est entièrement déterminé par les collisions électroniques donc toutes les lois dans l’ETC, sauf celle de Planck, sont valables avec la température électronique. Pour cela, on applique la loi de Kirchhoff pour le calcul du rayonnement.
➤ L’équilibre thermodynamique local partiel (ETLP) : en se rapprochant de l’état fondamental, les désexcitations radiatives spontanées sont de plus en plus grandes mais si la densité électronique dans le plasma est insuffisante pour les compenser, il y a donc une surpopulation au niveau fondamental et un dépeuplement des états excités, d’où l’apparition de l’équilibre thermodynamique local partiel. Simultanément, due à l’augmentation de la différence d’énergie entre deux niveaux consécutifs, la section efficace d’excitation diminue.
➤ Le plasma hors équilibre thermodynamique : il y a plusieurs températures ici : les particules lourdes ont 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 rendant le milieu très réactif. Ces températures sont de l’ordre de 0,025 à 0,05eV pour les ions et les neutres, et de 1 à 10eV pour les électrons.
Principe d’amorçage de l’arc
Pour une tension et intensité suffisantes, l’amorçage d’un arc électrique est assuré. De plus, tout phénomène capable de favoriser l’ionisation de l’air de la colonne gazeuse favorise l’amorçage, par exemple, le chauffage artificiel ou non de la cathode ; l’emploi d’une décharge auxiliaire de haute fréquence et de haute tension.
On peut donc distinguer trois grandes méthodes pour amorcer un arc électrique entre deux contacts dans le vide ou dans la colonne gazeuse située entre eux :
❖ Amorçage par transition continue : c’est le passage continu d’une décharge luminescente à la décharge d’arc. Il faut que le système soit au départ dans un état de décharge luminescente. La cathode est recouverte par le plasma de décharge. Si on augmente l’intensité, la tension d’extraction des électrons augmente et la température s’élève localement, et l’émission s’effectue ici à partir d’une région très localisée, et souvent très mobile, appelé spot cathodique.
❖ Amorçage par surtension : lorsque la tension disruptive est atteinte ou dépassée, la multiplication des électrons se fait par l’effet d’avalanche, et une décharge s’amorce entre les deux électrodes. Un arc électrique se déclenche donc s’il n’y a pas limitation de courant par la source. C’est le cas de la foudre ou de contournement d’isolateur.
❖ Amorçage par contact : à cause des irrégularités de la surface, l’ouverture d’un contact traversé par un courant suffisant peut déclencher un arc électrique (lors de l’ouverture du contact, le courant passe par un contact très fin entrainant une densité de courant très élevé). L’énergie dissipée par effet Joule conduit à une augmentation considérable de la température locale. Le point d’ébullition du métal est alors atteint et il se forme un pont fondu métallique entre les deux contacts. Lors de la rupture de ce pont, qui prend la forme d’une explosion, les conditions de formation d’un arc électrique sont réunies. C’est le cas des disjoncteurs Basse Tension, Moyenne Tension et Haute Tension.
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