Arc électrique

1. Amorçage de l’arc électrique

2. Répartition de la tension et des courants dans l’espace inter-électrode

3. Phénomènes cathodiques

3.1 Mécanismes d’émission des électrons

3.2 Mouvement du spot cathodique

3.3 Bilan d’énergie à la cathode

4. Phénomènes anodiques

4.1 Généralités

4.2 Bilan d’énergie à l’anode

5. Érosion des électrodes

6. L’arc dans un circuit

7. Étude de la colonne d’arc

7.1 Composition

7.2 Équilibre thermodynamique dans la colonne

7.3 Transferts d’énergie dans la colonne

7.4 Étude théorique de la colonne. Équation d’Elenbass-Heller

7.5 Influence des vapeurs métalliques au voisinage des électrodes

7.6 Champ magnétique propre de l’arc

7.7 Instabilités de la colonne. Stabilisation

8. Bruits acoustiques des arcs

9. Modélisation mathématique de l’arc

10. Extinction de l’arc

11. Arcs dans le vide

12. Applications des arcs électriques

Références bibliographiques

Lorsque, au cours de l’année 1813, le physicien anglais Humphrey Davy fit fonctionner le premier arc électrique artificiel (par opposition à l’éclair de la foudre), il venait d’ouvrir la porte à un immense champ d’applications. En effet, les ingénieurs ont rapidement compris le parti qu’ils pouvaient tirer d’un phénomène capable de transformer l’énergie électrique en énergie lumineuse intense, de créer un milieu à très haute température et d’être un réacteur de choix pour certaines applications chimiques. Dès 1844, le physicien français Léon Foucault mettait au point une lampe à arc à haut flux pour des expériences de physique. En 1862, Marcellin Berthelot réalisait la synthèse de l’acétylène en atmosphère d’hydrogène. En 1880, Louis Clerc eut l’idée de remplacer la flamme d’un chalumeau par le plasma d’un arc électrique pour les applications au soudage. Ainsi, dès 1880, les trois propriétés fondamentales de l’arc électrique (flux radiatif intense, flux thermique élevé, possibilité de favoriser les réactions chimiques) avaient reçu des applications. Il est remarquable que ces réalisations n’aient été que le fruit de l’intuition et du savoir-faire, car réalisées en dehors de toute théorie préconçue des phénomènes physiques. Ces découvertes, ces inventions, ces idées nouvelles ouvraient la voie à l’utilisation industrielle des plasmas thermiques.

L’apparition des théories modernes de la physique alliées à la maîtrise de plus en plus affirmée de la conception des réacteurs vont permettre des réalisations à caractère industriel dont l’importance économique va aller grandissant.

L’empirisme qui était la règle va peu à peu céder la place à une démarche scientifique conduisant, avec une connaissance toujours meilleure des propriétés fondamentales de l’arc électrique, à un perfectionnement des appareillages, à l’optimisation des procédés et à l’émergence de techniques nouvelles. On a pu ainsi observer ces dernières décennies que l’arc électrique, qui n’avait suscité en France qu’un faible engouement parmi les physiciens, a fait l’objet d’études fondamentales nombreuses en étroite collaboration avec les organismes industriels concernés.

On trouve, dans la littérature, des définitions très différentes de l’arc électrique. Les auteurs l’ont généralement défini à partir d’une propriété qu’ils jugeaient caractéristique (faibles chutes de tension, forte densité de courant, caractéristique tension-courant décroissante, existence d’un spot cathodique, prédominance des phénomènes thermiques…).

Bien qu’il soit possible de trouver des exceptions à toute définition trop précise, on admet généralement que le nom d’arc électrique est associé à une décharge à forte densité de courant pour laquelle les processus thermiques sont dominants.

L’émission des électrons à la cathode à partir de sites émissifs généralement rassemblés en un spot est également une caractéristique de ce type de décharge. Les phénomènes aux électrodes ont une importance suffisante pour que certains aient classé les divers types d’arcs en fonction du processus dominant d’émission.

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