Les pieds d’arc

Les pieds d’arc électrique assurent la transition entre les électrodes reliées à la source d’énergie électrique et la colonne de plasma. Ce qui les caractérise, c’est avant tout l’existence d’un champ électrique variable, atteignant le plus souvent des valeurs élevées en comparaison de celui existant dans la colonne. En conséquence les densités de courant présentent des valeurs croissantes dans les zones allant de la colonne de plasma aux électrodes provoquant une zone de contraction plus marquée à la cathode.

La cathode est le lieu d’émission des électrons, c’est une zone très complexe formée de structures et de sous-structures qui évoluent avec une échelle de temps de l’ordre d’une à plusieurs dizaines de nanosecondes. Pour les arcs dans les appareils de coupure dans le vide, les structures sont très nettement séparées et se déplacent sous l’action d’un champ magnétique pratiquement toujours à l’opposé de la force de Laplace. Les dimensions pour ces structures sont de l’ordre d’une à plusieurs dizaines de micromètres, chacunes transportent environ 100 A et provoquent selon le matériau constituant l’électrode, une érosion de celle-ci allant de 50 à 200 μg.C-1. Les valeurs prises par la densité de courant s’expriment en 109 A.m-2 et pour le champ électrique en 109 V.m-1.

Pour les arcs établis à des valeurs situées autour de la pression atmosphérique, la tache anodique est toujours présente et homogène. Dans le cas des arcs dans le vide, le régime anodique présente quatre modes différents selon les valeurs de la distance inter-électrodes et du courant d’arc . Pour les bas courants, deux modes diffus existent : le premier sans aucune érosion, le second pour des courants plus élevés avec une légère érosion, dans ces deux cas la tache anodique n’est pas apparente. Ensuite pour des courants plus élevés apparaît le mode dit ” footpoint” caractérisé par l’apparition d’un ou plusieurs points lumineux sur l’électrode et une érosion basse et modérée, ce mode existe seulement pour un domaine étroit des paramètres anodiques. Enfin le quatrième mode, qu’il vaut mieux éviter d’atteindre dans les appareils de coupure dans le vide, est le régime du spot anodique établi, pour augmenter le courant pour lequel il apparaît, il est nécessaire de créer un champ magnétique au niveau de l’arc de coupure.

Quelques illustrations de pieds d’arc :

• Photographies d’une cathode pour un arc dans le vide stabilisée par un champ magnétique (multiple-cathode-spot arc).

• I=12 kA, B=0.07 T, diamètre de l’électrode Φ=50 mm, longueur de l’arc L=6 mm.

• I=11.5 kA, B=0.13 T, diamètre de l’électrode Φ=30 mm, longueur de l’arc L=4 mm.

• Photographie de la surface d’une anode après l’arc d’un arc dans le vide avec formation de spot anodique.
• I=2.5 kA, diamètre de l’électrode Φ=20 mm, longueur de l’arc L=8 mm.

Ces photos ont été faîtes à IOFFE Physico-Technical Institute par A.A. Logatchev et S.M. Shkolnik.

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Les développements pour le futur sont :

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Les laboratoires

• Centre de Physique des Plasmas et de leurs Applications de
• Toulouse (CPAT, UMR 5002) – Toulouse.
• Laboratoire Arc Electrique et Plasmas Thermiques (LAEPT, UMR
  6069) – Clermont-Ferrand.
• Ecole Supérieure d’Electricité – Gif sur Yvette.
• Max-Planck Institute for Plasma Physics, Humboldt University of
  Berlin – Allemagne.
• IOFFE Physico-Technical Institute – Russie (St-Petersbourg)

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Les entreprises

• MERLIN GERIN, France.
• SIEMENS, Allemagne.
• ABB, Suisse.