Profils de charge d’espace

Les mesures de charge d’espace que nous présentons ici ont été effectuées dans le cadre d’une collaboration européenne regroupant BOREALIS, l’université de Bologne et le LGET. Le Tableau III.2. présente tous les profils de charge d’espace obtenus sur des échantillons de polyéthylène basse densité, d’épaisseur 200 µm, et ce pour quatre champs appliqués et trois températures différentes. Les profils de charge d’espace sont donnés en fonction de l’épaisseur du diélectrique (axe vertical) et du temps de mesure (axe horizontal). L’échelle des couleurs se rapportant aux profils est donnée à la Figure III.6. Les mesures sont effectuées toutes les 5 secondes pendant 50 secondes, toutes les 10 secondes pendant 100 secondes, toutes les 50 secondes pendant 250 secondes, puis toutes les 100 secondes jusqu'à la fin de l’expérience. L’échelle horizontale n’est donc pas linéaire, mais correspond à la séquence des profils mesurés. L’axe vertical en pointillé représente la limite entre la polarisation et la dépolarisation.

E 25°C 45°C 70°C 10

40

60

80

Tableau III.2. : profils de charge d’espace obtenus pour du LDPE en fonction du champ électrique appliqué (en kV.mm-1) et de la température. L’épaisseur des échantillons est de l’ordre de 200 µm. La couleur blanche aux électrodes montre la saturation de la densité nette de charges, et non une densité nulle.

-10 _{0 10 C.m}

-10 _{0 10}

-10 _{0 10 C.m}

Figure III.6. : échelle des couleurs représentant la densité de charge nette.

II.1. Résultats en fonction du champ à température ambiante

Pour un champ appliqué de 10 kV.mm-1 à température ambiante, aucune charge n’est observée outre la charge capacitive aux électrodes. La sensibilité de la mesure étant de 0,1 C.m^-3, la densité nette de charges mesurée est à la limite du seuil de détection.

cathode

Approche expérimentale

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Le profil de charge d’espace pour un champ plus élevé (40 kV.mm^-1) montre clairement l’apparition de charges positives à proximité de l’anode après quelques secondes. Ces homocharges pénètrent dans le diélectrique et atteignent la cathode en 100 s. Le volume reste ensuite chargé positivement jusqu’à la fin de la polarisation. Aucune charge négative n’est observée. Elles peuvent être présentes, mais masquées par la plus grande quantité de charges positives. Ces résultats sont en accord avec les mesures de charge d’espace de Chen et al [Chen], qui observent uniquement des charges positives pour des électrodes en or. Lors de la dépolarisation, les charges positives disparaissent rapidement du diélectrique.

L’augmentation du champ électrique ne semble pas influencer la mobilité des charges positives, puisque leur temps de transit entre l’anode et la cathode est toujours de l’ordre de 100 s. Par contre, la densité nette de charges à la fin de la polarisation augmente avec le champ appliqué. Plus le champ électrique est élevé, plus la disparition des charges en dépolarisation est lente.

La mesure de la charge d’espace ne permet pas de connaître la nature des charges mesurées (électroniques ou ioniques). Cependant, à température ambiante, les homocharges positives observées semblent provenir de l’anode. Il est possible de conclure à une injection de charges positives (trous) à l’anode, plutôt qu’à la génération de charges dans le volume.

II.2. Résultats en fonction de la température

L’augmentation de la température pour un même champ appliqué correspond à un changement de signe de la densité nette de charges mesurée. En effet, pour chaque champ électrique, à température ambiante, la densité nette de charge est positive. A 45°C, il est difficile de conclure, les deux types de charges pouvant apparaître. Par contre, à 70°C, les profils de charges sont dominés par les charges négatives. Comme à température ambiante, les homocharges négatives semblent provenir de la cathode, laissant penser à une injection d’électrons à l’électrode. A 70°C, l’augmentation du champ électrique semble augmenter l’injection à la cathode. Il est difficile de tirer d’autres conclusions par rapport à ces mesures en température. Les profils de charges ne sont pas assez précis pour avoir une idée sur la mobilité des charges, positives et négatives, en fonction de la température. De même, les profils de charges étant majoritairement négatifs, il n’est pas possible de conclure quant à l’influence de la température sur l’injection des trous.

Un profil se démarque du comportement décrit ci-dessus. Pour un champ appliqué de 80 kV.mm^-1 et une température de 45°C, des charges positives et négatives sont présentes dès l’application de la tension, et ces charges s’accumulent à l’électrode opposée à celle d’où elles avaient été injectées. Ces hétérocharges se retrouvent lors de la dépolarisation. Il est difficile de commenter ce profil de charge, d’autant plus qu’à une température plus élevée, on retrouve l’injection d’électrons et de trous respectivement à la cathode et à l’anode.

II.3. Conclusions

La campagne de mesures effectuées sur du LDPE en champ et en température permet de conclure à deux modes d’injection pour les électrons et les trous. Pour ces derniers, l’injection est essentiellement fonction du champ électrique, alors que la température semble jouer un rôle mineur. L’injection des électrons paraît peu perturbée par la variation du champ électrique à température ambiante, alors qu’elle est favorisée par une augmentation de température. Il est plus difficile de montrer une corrélation entre la mobilité des porteurs de charges et les paramètres que nous avons fait varier dans le protocole. Cependant, la mobilité des trous semble indépendante du champ appliqué.

Les profils de charges, à température ambiante, montrent uniquement une conduction dominée par les charges électroniques. Par contre, à des températures plus élevées et à fort champ, l’apparition d’hétérocharges laisse présager des phénomènes de dissociation et de transport ionique.