Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 430 − 1 Conduction électrique dans les liquides par Robert TOBAZÉON Ingénieur de l’Institut électrotechnique de Grenoble Docteur ès sciences Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientiﬁque (CNRS) 1. Généralités sur les liquides................................................................... D 2 430 - 4 1.1 Traits caractéristiques du comportement sous tension électrique ......... — 4 1.2 Classiﬁcation et utilisation des liquides..................................................... — 4 2. Nature, origine et comportement des charges électriques ......... — 4 2.1 Nature des porteurs de charge................................................................... — 4 2.2 Origine des porteurs de charge.................................................................. — 5 2.2.1 Production et recombinaison de charges en volume ..................... — 5 2.2.2 Génération de charges aux interfaces .............................................. — 7 3. Conduction volumique due à la dissociation d’espèces neutres — 10 3.1 Équations générales de la conduction....................................................... — 10 3.2 Modèle de J.J. Thomson transposé aux liquides..................................... — 11 3.3 Régime transitoire de conduction.............................................................. — 12 3.3.1 Cas d’un électrolyte totalement dissocié.......................................... — 12 3.3.2 Cas d’un électrolyte faiblement dissocié.......................................... — 12 3.4 Régime alternatif sinusoïdal....................................................................... — 13 3.5 Conduction renforcée par le champ électrique......................................... — 13 3.5.1 Théorie d’Onsager.............................................................................. — 13 3.5.2 Conséquences de la théorie d’Onsager sur les courants continus et les pertes......................................................................................... — 13 4. Conduction due à l’injection de charges par les électrodes ....... — 14 4.1 Injection unipolaire stationnaire dans un liquide isolant parfait immobile .......................................................................................... — 14 4.2 Intervention des phénomènes électrohydrodynamiques ........................ — 14 4.3 Régime transitoire sous créneau de tension............................................. — 15 4.3.1 Calcul du courant et du champ.......................................................... — 15 4.3.2 Inﬂuence du mouvement du liquide................................................. — 16 4.4 Régime alternatif sinusoïdal....................................................................... — 16 5. Inﬂuence de l’eau sur la conduction des liquides .......................... — 17 5.1 Cas des liquides purs .................................................................................. — 17 5.2 Cas des liquides impurs.............................................................................. — 17 6. Discussion générale ................................................................................ — 17 7. Cas des parois isolantes ........................................................................ — 19 7.1 Généralités ................................................................................................... — 19 7.2 Classiﬁcation des effets électrocinétiques................................................. — 19 7.3 Équation fondamentale de l’électro-osmose et des phénomènes associés...................................................................... — 21 7.4 Parois isolantes perpendiculaires à la direction du champ électrique.... — 21 7.5 Parois isolantes parallèles à la direction du champ ; conduction superﬁcielle.............................................................................. — 22 7.6 Électrisation des liquides en écoulement.................................................. — 22 7.7 Fluides électrorhéologiques ....................................................................... — 22 7.8 Conclusion.................................................................................................... — 23 8. Mesures de caractérisation du comportement des liquides ....... — 23 8.1 Mesure de la résistivité ρ et du facteur de dissipation tan δ.................... — 23 8.2 Mesure de la mobilité des ions .................................................................. — 23 8.3 Mesure de la distribution du champ électrique dans le liquide .............. — 24 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 2 430 CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES LIQUIDES ______________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 2 430 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ’étude des propriétés électriques des liquides diélectriques concerne essen- tiellement l’Électrotechnique. Cependant, il s’agit d’un domaine qui se carac- térise par sa pluridisciplinarité, puisqu’il touche à la Chimie, l’Électrochimie, l’Électronique, la Mécanique des ﬂuides, la Physique des décharges dans les gaz. Les liquides utilisés dans les isolations des matériels électrotechniques, en dehors de l’huile minérale, sont pour la plupart des matériaux de synthèse, éla- borés pour une étude ou une application spéciﬁque. Il s’agit de ﬂuides, donc de matériaux déformables : les forces électriques peuvent y créer des mouve- ments (électrohydrodynamiques) modiﬁant considérablement le transport des charges électriques. Les liquides sont très rarement employés seuls, mais généralement en asso- ciation avec des solides isolants (isolations imprégnées). Outre le rôle de contribuer à l’isolation électrique, ces liquides permettent de réduire, voire d’éli- miner les décharges partielles. Enﬁn leur rôle caloporteur dans de nombreux appareils est très important. Dans certains cas spéciﬁques, ils ont pour fonction également de ralentir l’oxydation. Dans tous les cas, le passage du courant électrique implique qu’il y ait un échange de charges aux interfaces métalliques ou isolantes avec une certaine cinétique : des charges peuvent disparaître, être créées (injectées) ou bloquées. L’examen de tels mécanismes est également abordé en Électrochimie, ou dans le domaine de la Physique des semiconducteurs. Pour l’ingénieur électricien, le problème majeur est celui des pertes par conduction et de la tenue diélectrique aux temps longs (vieillissement) ou lors de surtensions ; en général, la tension appliquée est alternative, de basse fré- quence (50 à 400 Hz). Les isolants liquides et solides sont utilisés en association dans des géométries complexes, souvent sous contraintes conjuguées élec- triques, thermiques, mécaniques, etc. La compréhension des mécanismes de génération et de transport de charge, des phénomènes électrochimiques et électrohydrodynamiques, constitue une étape importante pour l’interprétation du claquage à court et à long termes des liquides. Ainsi, la formation de bulles de gaz, très souvent à l’origine du claquage d’un liquide, peut-elle résulter d’une réaction électrochimique, de la cavitation produite par le mouvement électrohydrodynamique (EHD) dû à la force de Coulomb, de la vaporisation du ﬂuide par échauffement local, de l’existence loca- lisée d’un streamer (décharge qui précède le plus souvent le claquage) et d’autres mécanismes encore. Une isolation est soumise à une tension (alternative, continue, impulsionnelle), mais la distribution du champ électrique au sein des matériaux et en fonction du temps, peut être fortement modiﬁée par la présence de charges spatiales. Celles-ci peuvent créer des renforcements locaux du champ électrique suscep- tibles de conduire au claquage de l’isolation. Ces effets, dominants en général sous champ élevé (et souvent présents sous tension de service), donnent lieu à une conduction non-linéaire (le comportement du liquide n’est plus ohmique). Dans cet article, nous analysons les divers mécanismes de conduction en examinant des situations bien déﬁnies : géométrie plane, liquide de formule chimique simple dont on contrôle la conductivité par adjonction d’électrolytes connus, électrodes choisies pour leurs propriétés de collecteurs ou d’injecteurs de charges. Nous examinons également le comportement de liquides dans les situations où ils sont utilisés dans la pratique industrielle. L’emploi simultané de techniques expérimentales élaborées (effet électro- optique de Kerr, strioscopie, cinématographie rapide, spectroscopie), associées aux mesures électriques est, en général, indispensable pour faire la part de la conduction intrinsèque (due aux propriétés volumiques du liquide) et celle de la conduction extrinsèque (due aux effets d’interface). Ainsi, l’ingénieur notera que la résistivité d’un liquide caractérise ses propriétés de conduction volumique à l’équilibre thermodynamique, c’est-à-dire dans des conditions où le champ électrique ne modiﬁe pas le nombre de porteurs de charges par déplacement de cet équilibre ou par échange avec les parois solides. L _____________________________________________________________________________________________ CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES LIQUIDES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 2 430 − 3 Notations et symboles principaux S y m b o l e Unité Définition a m Rayon ionique a m Épaisseur de la double couche électrique A J · m–2 Tension superficielle b Constante introduite par Onsager b Nombre adimensionnel caractérisant l’extraction de charges B m · V–2 Constante de Kerr c mol · L–1 Concentration molaire C F Capacité C0 Nombre adimensionnel caractérisant le régime de conduction Ci Nombre adimensionnel caractérisant le régime d’injection D m2 · s–1 Coefficient de diffusion C · m–2 Induction électrique e C Charge électronique (1,602 × 10–19C) E V · m–1 Champ électrique f Hz Fréquence F N Force j A · m–2 Densité de courant I, I0 W · sr–1 Intensité lumineuse k J · K–1 Constante de Boltzmann (1,38 × 1023 J · K–1) ke m · s–1 Constante cinétique d’extraction d’un ion libre kg , kr m · s–1 Constantes cinétiques de génération et de recombinaison d’un ion lié Kd s–1 Constante de vitesse de dissociation Kr m3 · s–1 Constante de vitesse de recombinaison K1 L–1 · mol Constante de vitesse d’ionisation Ka L · mol–1 Constante de vitesse d’association I m Longueur optique soumise au champ électrique L m Écartement des électrodes LD m Longueur de Debye LB m Longueur de Bjerrum Lim m Distance ion-métal M Nombre adimensionnel caractérisant la mobilité EHD NA mol–1 Constante d’Avogradro (6,023 × 1023 mol–1) Nue Nombre de Nusselt électrique n± m–3 Nombre volumique d’ions ± ne Indice de réfraction extraordinaire n0 Indice de réfraction ordinaire nN molécules · m–3 Concentration d’une espèce neutre N nN– molécules · m–3 Concentration en ion N– p Pa Pression P W Puissance P C · m–2 Polarisation q C · m–3 Densité de charge volumique qi C · m–3 Densité de charge volumique injectée qs C · m–2 Densité de charge superficielle dans la double couche R Ω Résistance Ree Nombre de Reynolds électrique t s Temps t0 s Temps de vol T K Température absolue T s Période de la tension alternative Nombre adimensionnel caractérisant l’instabilité EHD U V Tension (valeur efficace si tension alternative) v m · s–1 Vitesse x m Abscisse xa m Abscisse du plan minimal d’approche des ions d’une électrode xp m Abscisse pour laquelle le potentiel d’image est égal uploads/Ingenierie_Lourd/ electricite 7 .pdf