Arc électrique - Electric arc

Pour l'électricité suivant un chemin non prévu, voir court-circuit .
Un arc électrique entre deux clous
Une démonstration de l'échelle de Jacob

Un arc électrique , ou décharge d'arc , est une panne électrique d'un gaz qui produit une décharge électrique prolongée . Le courant traversant un milieu normalement non conducteur tel que l' air produit un plasma ; le plasma peut produire de la lumière visible . Une décharge d'arc est caractérisée par une tension inférieure à celle d'une décharge luminescente et repose sur l'émission thermoionique d'électrons des électrodes supportant l'arc. Un terme archaïque est arc voltaïque , tel qu'il est utilisé dans l'expression "lampe à arc voltaïque".

Des techniques de suppression d'arc peuvent être utilisées pour réduire la durée ou la probabilité de formation d'arc.

À la fin des années 1800, l'éclairage à arc électrique était largement utilisé pour l'éclairage public . Certains arcs électriques basse pression sont utilisés dans de nombreuses applications. Par exemple, des tubes fluorescents , des lampes au mercure, au sodium et aux halogénures métalliques sont utilisés pour l'éclairage ; Les lampes à arc au xénon ont été utilisées pour les projecteurs de cinéma . Les arcs électriques peuvent être utilisés pour les processus de fabrication, tels que le soudage à l'arc électrique et les fours à arc électrique pour le recyclage de l'acier.

Histoire

La foudre naturelle est désormais considérée comme une étincelle électrique , et non comme un arc.

Sir Humphry Davy a découvert l'arc électrique à impulsions courtes en 1800. En 1801, il a décrit le phénomène dans un article publié dans le Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts de William Nicholson . Selon la science moderne, la description de Davy était une étincelle plutôt qu'un arc. La même année, Davy a publiquement démontré l'effet, devant la Royal Society , en transmettant un courant électrique à travers deux tiges de carbone qui se touchaient, puis en les écartant à une courte distance. La démonstration produisit un arc "faible", difficile à distinguer d'une étincelle soutenue , entre les pointes de charbon . La Société a souscrit pour une batterie plus puissante de 1 000 plaques, et en 1808, il a démontré l'arc à grande échelle. Il est crédité d'avoir nommé l'arc. Il l'a appelé un arc parce qu'il prend la forme d'un arc vers le haut lorsque la distance entre les électrodes n'est pas petite. Cela est dû à la force de flottabilité sur le gaz chaud.

Le premier arc continu a été découvert indépendamment en 1802 et décrit en 1803 comme un « fluide spécial aux propriétés électriques », par Vasily V. Petrov , un scientifique russe expérimentant avec une batterie cuivre-zinc composée de 4 200 disques.

À la fin du XIXe siècle, l'éclairage à arc électrique était largement utilisé pour l'éclairage public . La tendance des arcs électriques à scintiller et à siffler était un problème majeur. En 1895, Hertha Marks Ayrton a écrit une série d'articles pour l' Électricien , expliquant que ces phénomènes étaient le résultat du contact de l'oxygène avec les tiges de carbone utilisées pour créer l'arc. En 1899, elle fut la première femme à lire son propre article devant l'Institution of Electrical Engineers (IEE). Son article s'intitulait "Le sifflement de l'arc électrique". Peu de temps après, Ayrton a été élue la première femme membre de l'IEE ; la prochaine femme à être admise à l'IEE était en 1958. Elle a demandé à présenter un document devant la Royal Society, mais elle n'a pas été autorisée en raison de son sexe, et "Le mécanisme de l'arc électrique" a été lu par John Perry dans son à la place en 1901.

Aperçu

Arcs électriques entre la ligne électrique et les pantographes d'un train électrique après givrage caténaire
Arcs électriques entre le rail d'alimentation et la "chaussure" de ramassage électrique sur un train du métro de Londres

Un arc électrique est la forme de décharge électrique dont la densité de courant est la plus élevée. Le courant maximum à travers un arc n'est limité que par le circuit externe, pas par l'arc lui-même.

Un arc entre deux électrodes peut être initié par ionisation et décharge luminescente, lorsque le courant traversant les électrodes est augmenté. La tension de claquage de l'écartement des électrodes est une fonction combinée de la pression, de la distance entre les électrodes et du type de gaz entourant les électrodes. Lorsqu'un arc démarre, sa tension aux bornes est bien inférieure à celle d'une décharge luminescente et le courant est plus élevé. Un arc dans les gaz près de la pression atmosphérique est caractérisé par une émission de lumière visible, une densité de courant élevée et une température élevée. Un arc se distingue d'une décharge luminescente en partie par les températures similaires des électrons et des ions positifs ; dans une décharge luminescente, les ions sont beaucoup plus froids que les électrons.

Un arc tiré peut être initié par deux électrodes initialement en contact et écartées ; cela peut initier un arc sans la décharge luminescente haute tension. C'est ainsi qu'un soudeur commence à souder un joint, en touchant momentanément l'électrode de soudage contre la pièce puis en la retirant jusqu'à ce qu'un arc stable se forme. Un autre exemple est la séparation des contacts électriques dans les commutateurs, les relais ou les disjoncteurs ; dans les circuits à haute énergie, la suppression des arcs peut être nécessaire pour éviter d'endommager les contacts.

La résistance électrique le long de l'arc électrique continu crée de la chaleur, qui ionise davantage de molécules de gaz (où le degré d'ionisation est déterminé par la température), et selon cette séquence : solide-liquide-gaz-plasma ; le gaz est progressivement transformé en plasma thermique. Un plasma thermique est en équilibre thermique ; la température est relativement homogène dans tous les atomes, molécules, ions et électrons. L'énergie donnée aux électrons est dispersée rapidement vers les particules les plus lourdes par des collisions élastiques , en raison de leur grande mobilité et de leur grand nombre.

Le courant dans l'arc est entretenu par l'émission thermoionique et l' émission de champ d'électrons à la cathode. Le courant peut être concentré dans un très petit point chaud de la cathode ; des densités de courant de l'ordre d'un million d' ampères par centimètre carré peuvent être trouvées. Contrairement à une décharge luminescente , un arc a une structure peu perceptible, car la colonne positive est assez brillante et s'étend presque jusqu'aux électrodes aux deux extrémités. La chute cathodique et la chute anodique de quelques volts se produisent à une fraction de millimètre de chaque électrode. La colonne positive a un gradient de tension plus faible et peut être absente dans des arcs très courts.

Un arc à courant alternatif basse fréquence (moins de 100 Hz) ressemble à un arc à courant continu ; à chaque cycle, l'arc est amorcé par claquage, et les électrodes échangent leurs rôles, en tant qu'anode ou cathode, lorsque le courant s'inverse. À mesure que la fréquence du courant augmente, il n'y a pas assez de temps pour que toute l'ionisation se disperse à chaque demi-cycle, et le claquage n'est plus nécessaire pour maintenir l'arc ; la caractéristique tension en fonction du courant devient plus proche de l'ohmique.

Arc électrique entre les brins de fil.

Les diverses formes d'arcs électriques sont des propriétés émergentes des modèles non linéaires de courant et de champ électrique . L'arc se produit dans l'espace rempli de gaz entre deux électrodes conductrices (souvent en tungstène ou en carbone) et il en résulte une température très élevée , capable de faire fondre ou de vaporiser la plupart des matériaux. Un arc électrique est une décharge continue, tandis que la décharge électrique similaire est momentanée. Un arc électrique peut se produire soit dans des circuits à courant continu (CC) soit dans des circuits à courant alternatif (CA). Dans ce dernier cas, l'arc peut se réamorcer à chaque demi-cycle du courant. Un arc électrique diffère d'une décharge luminescente en ce que la densité de courant est assez élevée et la chute de tension dans l'arc est faible ; à la cathode , la densité de courant peut atteindre un mégaampère par centimètre carré.

Un arc électrique a une relation non linéaire entre le courant et la tension. Une fois l'arc établi (soit par progression à partir d'une décharge luminescente, soit en touchant momentanément les électrodes puis en les séparant), l'augmentation du courant entraîne une tension plus faible entre les bornes de l'arc. Cet effet de résistance négative nécessite qu'une certaine forme d' impédance positive (comme un ballast électrique ) soit placée dans le circuit pour maintenir un arc stable. Cette propriété est la raison pour laquelle les arcs électriques incontrôlés dans les appareils deviennent si destructeurs puisqu'une fois initié, un arc tirera de plus en plus de courant d'une alimentation à tension fixe jusqu'à ce que l'appareil soit détruit.

Les usages

Un arc électrique peut faire fondre l'oxyde de calcium

Industriellement, les arcs électriques sont utilisés pour le soudage , le coupage plasma , pour l'usinage par décharge électrique , comme lampe à arc dans les projecteurs de cinéma , et les poursuites dans l' éclairage de scène . Les fours à arc électrique sont utilisés pour produire de l' acier et d'autres substances. Le carbure de calcium est fabriqué de cette manière car il nécessite une grande quantité d'énergie pour favoriser une réaction endothermique (à des températures de 2500 °C).

Les lampes à arc au carbone ont été les premières lampes électriques. Ils ont été utilisés pour les lampadaires au 19ème siècle et pour des applications spécialisées telles que les projecteurs jusqu'à la Seconde Guerre mondiale. Aujourd'hui, les arcs électriques à basse pression sont utilisés dans de nombreuses applications. Par exemple, des tubes fluorescents , des lampes au mercure, au sodium et aux halogénures métalliques sont utilisés pour l'éclairage ; Les lampes à arc au xénon sont utilisées pour les projecteurs de cinéma.

La formation d'un arc électrique intense, semblable à une petite échelle flash arc , est la base de détonateurs explosent-pontet .

Une application majeure restante est dans les appareillages de commutation à haute tension pour les réseaux de transmission à haute tension. Les appareils modernes utilisent de l'hexafluorure de soufre à haute pression dans un écoulement de buse entre des électrodes séparées à l'intérieur d'un récipient sous pression. Le courant de défaut alternatif est interrompu au courant zéro par les ions SF6 hautement électronégatifs absorbant les électrons libres du plasma en décomposition. Une technologie similaire à base d'air a été largement remplacée car de nombreuses unités bruyantes en série étaient nécessaires pour empêcher le courant de se rallumer dans des conditions de super-réseau similaires.

Les arcs électriques ont été étudiés pour la propulsion électrique des engins spatiaux.

Ils sont utilisés en laboratoire pour la spectroscopie pour créer des émissions spectrales par chauffage intense d'un échantillon de matière .

Guider l'arc

Les scientifiques ont découvert une méthode pour contrôler le trajet d'un arc entre deux électrodes en tirant des faisceaux laser sur le gaz entre les électrodes. Le gaz devient un plasma et guide l'arc. En construisant le chemin de plasma entre les électrodes avec différents faisceaux laser, l'arc peut être formé en chemins incurvés et en forme de S. L'arc pourrait également heurter un obstacle et se reformer de l'autre côté de l'obstacle. La technologie de l'arc guidé par laser pourrait être utile dans les applications pour fournir une étincelle d'électricité à un endroit précis.

Arc indésirable

Brûlure d'une prise causée par un arc électrique lors d'un court-circuit .

Un arc électrique indésirable ou involontaire peut avoir des effets néfastes sur la transmission d'énergie électrique , les systèmes de distribution et les équipements électroniques . Les dispositifs susceptibles de provoquer un arc électrique comprennent les interrupteurs, les disjoncteurs, les contacts de relais, les fusibles et les mauvaises terminaisons de câbles. Lorsqu'un circuit inductif est coupé, le courant ne peut pas sauter instantanément à zéro : un arc transitoire se formera aux bornes des contacts de séparation. Les dispositifs de commutation sensibles à la formation d'arcs sont normalement conçus pour contenir et éteindre un arc, et les circuits d' amortissement peuvent fournir un chemin pour les courants transitoires, empêchant la formation d'arcs. Si un circuit a suffisamment de courant et de tension pour entretenir un arc formé à l'extérieur d'un appareil de commutation, l'arc peut endommager l'équipement, comme la fonte des conducteurs, la destruction de l'isolation et un incendie. Un arc électrique décrit un événement électrique explosif qui présente un danger pour les personnes et l'équipement.

La formation d'arcs indésirables dans les contacts électriques des contacteurs , relais et interrupteurs peut être réduite par des dispositifs tels que des suppresseurs d'arcs de contact et des amortisseurs RC ou par des techniques comprenant :

Un arc électrique peut également se produire lorsqu'un canal de faible résistance (objet étranger, poussière conductrice , humidité...) se forme entre des endroits avec une tension différente. Le canal conducteur peut alors faciliter la formation d'un arc électrique. L'air ionisé a une conductivité électrique élevée proche de celle des métaux, et il peut conduire des courants extrêmement élevés, provoquant un court-circuit et le déclenchement des dispositifs de protection ( fusibles et disjoncteurs ). Une situation similaire peut se produire lorsqu'une ampoule brûle et que les fragments du filament tirent un arc électrique entre les fils à l'intérieur de l'ampoule, entraînant une surintensité qui déclenche les disjoncteurs.

Un arc électrique à la surface des plastiques provoque leur dégradation. Une piste conductrice riche en carbone a tendance à se former dans le chemin de l'arc, appelée "suivi du carbone", influençant négativement leurs propriétés d'isolation. La susceptibilité à l'arc, ou "track resistance", est testée selon la norme ASTM D495, par des électrodes ponctuelles et des arcs continus et intermittents ; elle est mesurée en secondes nécessaires pour former une piste conductrice dans des conditions de courant faible et haute tension. Certains matériaux sont moins susceptibles de se dégrader que d'autres. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène a une résistance à l'arc d'environ 200 secondes (3,3 minutes). Des plastiques thermodurcissables , les alkydes et les résines mélamine sont meilleurs que les résines phénoliques . Les polyéthylènes ont une résistance à l'arc d'environ 150 secondes ; les polystyrènes et les chlorures de polyvinyle ont une résistance relativement faible d'environ 70 secondes. Les plastiques peuvent être formulés pour émettre des gaz avec des propriétés d'extinction d'arc ; ceux-ci sont connus sous le nom de plastiques extincteurs d'arc .

La formation d'arcs sur certains types de cartes de circuits imprimés , peut-être en raison de fissures des traces ou de la défaillance d'une soudure, rend la couche isolante affectée conductrice car le diélectrique est brûlé en raison des températures élevées impliquées. Cette conductivité prolonge l'arc en raison d'une défaillance en cascade de la surface.

Suppression des arcs

Article principal: suppression d'arc

La suppression d'arc est une méthode pour tenter de réduire ou d'éliminer un arc électrique. Il existe plusieurs domaines d'utilisation possibles des méthodes de suppression d'arc, parmi lesquelles le dépôt de film métallique et la pulvérisation cathodique , la protection contre les arcs électriques, les processus électrostatiques où les arcs électriques ne sont pas souhaités (comme la peinture en poudre , la purification de l'air , la polarisation de film PVDF ) et la suppression d'arc par courant de contact. . Dans la conception électronique industrielle, militaire et grand public, cette dernière méthode s'applique généralement aux dispositifs tels que les interrupteurs de puissance électromécaniques, les relais et les contacteurs. Dans ce contexte, la suppression d'arc utilise une protection de contact .

Une partie de l'énergie d'un arc électrique forme de nouveaux composés chimiques à partir de l'air entourant l'arc : ceux-ci incluent des oxydes d'azote et d' ozone , dont le second peut être détecté par son odeur forte distinctive. Ces produits chimiques peuvent être produits par des contacts haute puissance dans les relais et les commutateurs de moteur, et ils sont corrosifs pour les surfaces métalliques à proximité. Les arcs électriques érodent également les surfaces des contacts, les usent et créent une résistance de contact élevée lorsqu'ils sont fermés.

Voir également

Les références

Liens externes