Conclusion partielle (transition dans l’argon avec des électrodes en cuivre)

L’étude de la TGA dans le cas d’électrodes en cuivre dans l’argon a été plus difficile à mener que dans le cas d’électrode en tungstène. En effet, les transitions spontanées sont observées pour des valeurs de courant plus importantes dans le cas du cuivre et c’est la raison pour laquelle nous avons dû changer légèrement le dispositif expérimental (interrupteur statique trop limité en valeur maximum de courant admissible). Cette contrainte ne nous a pas permis de mener une étude aussi rigoureuse et poussée que dans le cas des électrodes de tungstène du fait de l’impossibilité de générer une impulsion de courant d’intensité constante. Cependant, les résultats que l’on peut garder à l’esprit sont les suivants:

- la structure de la colonne d’arc électrique est relativement complexe : elle se décompose en une partie filamentaire partant de l’anode et une partie diffuse raccrochée à la cathode. Cette partie diffuse est riche en vapeur de cuivre dont le volume est d’autant plus restreint que la pression est élevée. Cette vapeur n’apparait en cinématographie rapide que lorsque l’on est en présence d’un arc et ne peut être vue lors d’un glow.

- Le pied anodique est très mobile et/ou multiple.

- Les TGA spontanées entre deux électrodes de cuivre dans l’argon se produisent d’autant moins que la pression est élevée, c’est-à-dire que la plage de courant pour laquelle on observe des TGA est plus grande que dans le cas du tungstène. - Globalement les chutes de tensions aux électrodes ainsi que les champs

électriques moyens sont du même ordre de grandeur que ceux mesurés pour le tungstène.

- Les temps de transitions spontanées sont eux plus faibles que dans le cas du tungstène mettant en avant le rôle du matériau sur la dynamique de transition.

5. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons étudié la transition glow / arc pour deux matériaux d’électrodes différents : le tungstène (haut point fusion) et le cuivre (bas point de fusion). Cette étude a été réalisée tout d’abord dans l’air pour le cuivre et dans l’argon pour le cuivre et le tungstène.

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Dans l’air nous avons surtout pu observer des transitions « forcées » se déroulant au moment de l’application de l’impulsion de courant. Les transitions spontanées (à intensité constante) sont quant à elles rares et les résultats sont très dispersés.

Le tracé des caractéristiques U/I a montré une plage de courant dans laquelle existent les deux régimes de glow ou d’arc. Cependant, cette zone de cohabitation résulte principalement de la non reproductibilité des valeurs de courant pour lesquelles la transition d’un régime à l’autre se fait. Elle ne résulte pas de l’existence de transitions spontanées. Malgré cela, cette étude s’est avérée fructueuse et nous a permis d’orienter la suite de nos travaux en ciblant au mieux les conditions d’obtention de transitions spontanées.

Nous nous sommes alors orientés vers une étude dans l’argon pour deux types de cathodes (froide et chaude). L’étude a été menée d’une part en caractérisant d’un point de vue électrique les différents régimes de décharge autour de la transition et en les observant à l’aide d’une caméra rapide. Les principales observations sont synthétisées dans le tableau 3.10. Cette synthèse fait ressortir que les principales différences structurelles en fonction du matériau d’électrode sont les suivantes :

- En régime de glow, les colonnes n’ont pas systématiquement la même structure et n’évoluent pas du régime diffus au régime filamentaire avec la même dynamique. Cette évolution semble plus lente dans le cas du tungstène.

- En régime d’arc, dans le cas du tungstène la colonne est filamentaire alors que pour le cuivre elle présente une partie diffuse riche en vapeur métallique proche de la cathode.

- Le pied anodique dans le cas du tungstène est fixe et unique. Dans le cas du cuivre il est multiple et/ou très mobile.

D’un point de vue phénoménologique, les transitions se produisent pour des intensités plus faibles dans le cas du tungstène que dans le cas d’électrodes en cuivre. Dans les deux cas, la transition se produit sans que toute la surface de l’électrode ne soit recouverte par le pied cathodique de la décharge. Trois gammes de courant apparaissent plus ou moins distinctes selon la valeur de la pression :

- une première zone d’intensité de courant de décharge faible où seul le régime de glow pourra exister,

- une seconde zone pour des valeurs plus importantes de I dans laquelle les deux régimes peuvent coexister,

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- pour des valeurs encore plus importantes de l’intensité du courant pratiquement seul le régime d’arc existe (même si quelques très rares passages en glow peuvent sporadiquement survenir).

Tungstène Cuivre Observation de la structure de la décharge :

A l’anode

Régime de glow et d’arc : Pied anodique unique la plupart du temps et fixe

Régime de glow et d’arc : Pied(s) anodique(s) très mobiles (mouvement par saut) et/ ou multiples

La colonne

Régime de glow : Diffuse, filamentaire et ou

partiellement diffuse et filamentaire en régime stable.

Temps de passage d’une colonne diffuse à filamentaire ≈ qq. 10 µs Régime d’arc : Colonne filamentaire Régime de glow : Diffuse ou filamentaire Régime d’arc (I < 4 A) :

Partiellement diffuse et filamentaire. Présence de vapeur de cuivre dans la zone diffuse (côté cathode)

A la cathode

Régime de glow : Pied étalé qui n’occupe pas nécessairement toute la surface juste avant la transition à l’arc.

Régime d’arc :

Pied concentré (spot) unique à déplacement continu.

Régime de glow : Pied étalé qui n’occupe pas nécessairement toute la surface juste avant la transition à l’arc.

Régime d’arc :

Pied concentré (spot) unique à déplacement continu.

Transition spontanée

Se produit sans que la surface de la cathode soit complètement recouverte par le glow (pas de densité de courant critique)

Se produit sans que la surface de la cathode soit complètement recouverte par le glow (pas de densité de courant critique)

Caractérisation électrique :

Régime de glow

- Tension légèrement moins élevée pour le tungstène que pour le cuivre :

Pour W, (V_A + V_c) est dans la gamme 220 à 180 V

Pour Cu, (VA + Vc) est dans la gamme 250 à 210 V

- Champ électrique moyen dans la colonne du même ordre de grandeur

Pour W, le champ est dans la gamme 1,7 à 3,3 kV/m (minimum à 500 mbar) Pour Cu, le champ est dans la gamme 1 à 3 kV/m

(minimum à 500 mbar)

Régime d’arc

Va + Vc dans la gamme 15 V à 35 V et

décroissance avec la pression Champ dans la gamme 1,6 à 2,9 kV/m

Va + Vc dans la gamme 20 V à 60 V et

décroissance avec la pression Champ dans la gamme 0,3 à 1,8 kV/m (minimum à 100 mbar)

Transitions spontanées Intensité d’apparition des premières

transitions

60 mA quelle que soit la pression 250 mA à 100 mbar

100 mA à 500 mbar 100 mA à 900 mbar

Phénomènes aux électrodes : 60 à 100 ns 50 ns

Propagation dans la colonne (pour d = 25 mm)

300 ns 60 à 80 ns

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D’un point de vue des caractéristiques électriques les valeurs des champs électriques dans la colonne et des chutes anodiques et cathodiques (dans les deux régimes) restent du même ordre quel que soit le matériau d’électrode.

Lors d’une transition spontanée un phénomène de type « propagation » semble avoir été mis en évidence dans la colonne, de même qu’une durée nécessaire à la contraction du pied cathodique. La nature du matériau d’électrode semble intervenir dans ces deux aspects. Par ailleurs, plus la pression est élevée, plus la durée des transitions est longue et les durées de transition spontannées décroissent quand l’intensité croît pour se stabiliser vers une durée limite.

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