Arc électrique - Définition
Généralités
Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et physicien anglais sir Humphry Davy en 1813. L'explication de l'arc électrique relève d'une physique très complexe.
Explication simple
Une explication simple serait de dire que l'arc se crée par une ionisation du gaz qui a lieu d'autant plus facilement que les surfaces sont proches et conductrices.
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 (principe de l'énergie minimale). 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 que l'on désire malgré le fait que la surface émettrice (ou plus rarement réceptrice) soit parfois un angle aigus.
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.
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 electrique qui s'ensuit engendrent des bruits dus à l'expansion brutale du gaz suite à son échauffement tout aussi brutal.
Transfert de matière
Les scientifiques ont observé que les arcs électriques restent électriquement neutres. Comme il y a un flux d'électrons du potentiel négatif au potentiel positif, il doit obligatoirement y avoir transferts d'ions dans la direction opposée pour maintenir la neutralité électrique. Ce flux d'ions (donc de matériaux solide) est appelé transfert de matière.
Exemples
- La foudre est un arc électrique de grandes dimensions qui permet l'écoulement des charges électriques entre les nuages ou entres 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.
- La coupure d'un courant, obtenue par séparation de contacts, peut entraîner la production d'un arc électrique plus ou moins important, de la petite étincelle à celle du four à arc électrique. L'extinction d'un arc peut être obtenue par refroidissement ou allongement, comme par exemple dans les disjoncteurs à haute tension, ou par d'autres méthodes.