Arc électrique - Définition et Explications

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Arcs électriques sur les rails du métro de Londres
Arcs électriques sur les rails du métro de Londres

Généralités

Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la...) et physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) anglais sir Humphry Davy (Davy (titre original : Davy) est un roman de Edgar Pangborn publié en 1964.) en 1813. L'explication de l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La...) relève d'une physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) très complexe.

Explication simple

Une explication simple serait de dire que l'arc se crée par une ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) présente sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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 (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) critique sont nécessaires pour ioniser l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...).

En effet, le champ disruptif (La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ...) de l'air est évalué à 3600 V/mm pour de l'air sec à la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) et au niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de...), il peut descendre à un seuil de 1000 V/mm dans un air saturé en humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...), ceci pour des distances inter-électrodes proches (de l'ordre du millimètre ou du centimètre). Pour des distances plus grandes, ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) minimale). Toute la difficulté pour un soudage (Le soudage (Voir article sur la théorie du soudage) est un moyen d'assemblage permanent. Il a...) 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 (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) aigus.

Un courant traversant un arc électrique est généralement intense (voir intensité électrique) et variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...). C'est pourquoi un arc électrique cause de fortes perturbations électromagnétiques, un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) 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 (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), par échauffement des électrodes conductrices (les électrons quittent plus souvent la surface par effet tunnel).

L'écoulement du courant dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) ionisée émet un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) dont le spectre est caractéristique de la nature du gaz, et à un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) 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 (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) aussi brutal.

Transfert de matière

Les scientifiques ont observé que les arcs électriques restent électriquement neutres. Comme il y a un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) solide) est appelé transfert de matière.

Exemples

  • La foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui...) est un arc électrique de grandes dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) qui permet l'écoulement des charges électriques entre les nuages ou entres les nuages et la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...).
  • 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 (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) localisée engendrant la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) des matériaux, ce qui réalise des liaisons résistantes après refroidissement.
  • Les fours à arc sont utilisés en métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs...) pour la fusion des métaux.
  • La coupure d'un courant, obtenue par séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) de contacts, peut entraîner la production d'un arc électrique plus ou moins important, de la petite étincelle à celle du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...) à arc électrique. L'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...) d'un arc peut être obtenue par refroidissement ou allongement, comme par exemple dans les disjoncteurs à haute tension (La tension est une force d'extension.), ou par d'autres méthodes.
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