Arc (électrique)

Arc électrique

Arcs électriques sur les rails du métro de Londres

Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, air, vide...). La découverte des principes régissant ce phénomène est due au chimiste et physicien anglais sir Humphry Davy en 1813. Son explication fait appel à une physique très complexe.

Sommaire

Explication simple

L'arc se crée par une ionisation de la matière isolante, cette ionisation a lieu d'autant plus facilement que les surfaces conductrices sont proches.

Une fois ionisé, le gaz crée un canal conducteur qui entraîne le reste de la charge présente sur la surface de départ. L'arc continue alors, même si les surfaces s'écartent l'une de l'autre et pour autant que la différence de potentiel reste suffisante, mais plusieurs ordres de grandeurs par rapport au champ électrique critique sont nécessaires pour ioniser l'air.

En effet, le champ disruptif de l'air est évalué à 3600 V/mm pour de l'air sec à la pression atmosphérique et au niveau de la mer, il peut descendre à un seuil de 1000 V/mm dans un air saturé en humidité, ceci pour des distances inter-électrodes proches (de l'ordre du millimètre ou du centimètre). Pour des distances plus grandes, ce champ disruptif est encore plus élevé.

La position d'un arc électrique est stable : une fois qu'il a trouvé le chemin le plus court, il y reste (ce chemin est en effet le chemin qui demande le moins d'énergie). Toute la difficulté pour un soudage à l'arc est donc de maîtriser l'arc d'un mouvement continu pour lui faire garder la forme voulue même si la surface émettrice (ou plus rarement réceptrice) soit parfois un angle aigu.

Un courant traversant un arc électrique est généralement intense (voir intensité électrique) et variable. C'est pourquoi un arc électrique cause de fortes perturbations électromagnétiques, un capteur électrique peut difficilement trouver sa place en sa proximité.

De nombreuses expériences ont montré que l'arc demeurait électriquement neutre. Cette neutralité ne peut être obtenue que par un courant ionique en plus et en sens inverse de celui des électrons. Dès lors, il y a un transfert de matière, sous forme d'ion métalliques, d'une électrode à l'autre dans tout arc électrique. Ce transfert explique l'usure des surfaces d'où partent les arc électriques, comme les fusibles ou les bornes des relais électriques.

L'établissement d'un arc électrique peut être favorisé par émission thermoïonique, en particulier dans le vide, par échauffement des électrodes conductrices (les électrons quittent plus souvent la surface par effet tunnel).

L'écoulement du courant dans la matière ionisée émet un rayonnement de lumière dont le spectre est caractéristique de la nature du gaz, et à un degré moindre, de celle des électrodes dans le cas où ces dernières sont fusibles. Dans le cas général, les arcs émettent une grande proportion d'ultraviolet particulièrement agressif pour les yeux.

Cette ionisation et l'écoulement d'un courant électrique qui s'ensuit engendrent des bruits dus à l'expansion brutale du gaz suite à son échauffement tout aussi brutal.

Exemples

  • La foudre est un arc électrique de grandes dimensions qui permet l'écoulement des charges électriques entre les nuages ou entre les nuages et la terre.
  • Les lampes à décharge utilisent les propriétés des arcs électriques pour la production de lumière (éclairage public, projecteurs, etc.).
  • La soudure électrique à l'arc produit une grande quantité de chaleur localisée engendrant la fusion des matériaux, ce qui réalise des liaisons résistantes après refroidissement.
  • Les fours à arc sont utilisés en métallurgie pour la fusion des métaux.
  • L'amorçage d'un arc électrique entre deux contacts qui se séparent est l'une des techniques utilisées dans les disjoncteurs à haute tension pour obtenir la coupure d'un courant. L'interruption du courant est obtenue en refroidissant l'arc en le soufflant ou en le faisant tourner rapidement.

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