Etude des Mécanismes d`Emission Electronique dans un Arc

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
Mohamed Boudiaf
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
MEMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE MAGISTER
SPECIALITE : Electrotechnique
OPTION : Ingénierie des Plasmas et des Décharges
PRESENTE PAR:
Mr : BESSIS BENHALIMA
SUJET DU MEMOIRE:
Soutenue Le : 08/ 07 /2010 Devant le jury composé de :
Mr A. SETTAOUTI Professeur, Univ, USTO-MB PRESIDENT
Mr M. MESSAAD Maître de Conférences A, Univ, USTO-MB ENCADREUR
Mr A.W. BELARBI Maître de Conférences A, Univ, USTO-MB EXAMINATEUR
Mr A. HAMID Maître de Conférences A, Univ, USTO-MB EXAMINATEUR
Mr F. LAKHDARI Maître de Conférences B, Univ, USTO-MB INVITE
Etude des Mécanismes d’Emission Electronique
dans un Arc électrique dans le Vide

Dédicace
A mes chers parents.
A mes frères.
A ma femme.
A mes amis.

Remerciements
Ce travail n’aurait pu se dérouler dans les meilleures conditions sans l’aide
précieuse et nécessaire de Monsieur MOHAMMED MESSAAD, qui a toujours encadré
mon travail et m’a fait partager son savoir et son enthousiasme. Un énorme merci pour
sa disponibilité sans limites, sa patience et ses idées toujours constructives. Également
pour avoir su répondre à toutes mes questions. Encore mille mercis et qu’il trouve ici
l’expression de ma profonde estime.
Je tiens à remercier Monsieur le Professeur A. SETTAOUTI pour avoir accepté
d’évaluer ce travail et qui m’a fait l’honneur d’accepter la présidence du jury. Qu’il
trouve ici l’expression de mes vifs remerciements.
Je témoigne de ma profonde reconnaissance à Monsieur A. W. BELARBI Maître
de conférences à L’USTO pour avoir accepter d’examiner ce travail et de faire parti du
jury.
Mes vifs remerciements vont aussi à Monsieur A. HAMID et à Monsieur
F.LAKHDARI, Maîtres de conférences à L’USTO qui ont accepté d’examiner ce travail,
qu’il trouvent ici ma respectueuse reconnaissance.
Je tiens à remercier aussi tous ceux m’ont aidé de prés ou de loin pour bien
accomplir ce travail.

Résumé
Le travail présenté dans ce mémoire est consacrée à l’étude des phénomènes d’émission électronique qui
ont lieu à la cathode dans une décharge d’arc électrique.
Dans un arc électrique, les électrons sont émis à partir de la surface de la cathode. Le spot cathodique
constitue le lieu d’où émergent les électrons. La densité de courant des électrons émis représente 90 % de la
densité de courant total. La part de 10% restante est assurée par les ions positifs présents devant la cathode.
Ainsi la détermination de la densité de courant total à la cathode dans une décharge d’arc se ramène au calcul de
celle des électrons émis.
Les deux facteurs importants gouvernant l’émission des électrons dans un arc électrique sont la
température et le champ électrique qui règnent à la surface de la cathode. Le champ électrique est crée par la
charge d’espace des ions positifs devant la cathode. Cette dernière est chauffée par les ions positifs qui lui cèdent
leurs énergies cinétiques acquises par le champ électrique le long de la zone de charges d’espace. La cathode est
également chauffée par effet Joule et peut être chauffée aussi par effet Nottingham.
Pour le calcul de la densité de courant des électrons émis à la cathode dans une décharge d’arc, on trouve
dans la littérature plusieurs équations qui sont basées sur les phénomènes suivants :
-Emission des électrons par effet de la température (émission T),
-Emission par effet de champ électrique (émission F),
-Emission par effet de la température et du champ électrique (émission TF)

Liste des Figures
Chapitre I
Chapitre II
Figure (II.1) Statistique de Fermi-Dirac pour 00 22
Figure (II.2) Allure schématique de la barrière de potentiel à l’interface métal-vide.
Représente le niveau de Fermi 26
Chapitre III
Figure (III.1) Densité de courant JRD en fonction de T 31
Figure (III.2) Densité de courant des électrons émis en fonction de T et F (équation
de Richardson-Dushman avec correction de Schottky) 33
Figure (III.3) Densité de courant JF
N
en fonction de F 37
Figure (III.4) Domaine de variation de Wl en fonction du champ électrique en surface 41
Figure (III.5) Fonction de Nordhiem  en fonction de  42
Figure (III.6) Variation du coefficient de transmission D (F, W) en fonction W pour
différentes valeurs du champ électrique  43
Figure (III.7) Variation du coefficient de transmission D (F, W) en fonction W
Pour valeur du champ électrique F110
V
m
⁄
43
Figure (III.8) Variation de la densité de courant J
M
G en fonction de F et T 44
Figure (III.9) Variation de JMG en fonction du champ électrique  pour différentes
valeurs de la température  45
Figure (III.10) Variation de JMG en fonction de la température  pour différentes
valeurs du champ électrique  46
Figure (III.11) Variation de la densité de courant J
H
A
N
en fonction de   47
Figure(III.12) Densités de courant des électrons émis obtenues par différents auteurs 48
Chapitre IV
Figure (I.1) Caractéristique tension-courant d’une décharge électrique
P
age 5
Figure (I.2) Amorçage par contact 6
Figure (I.3) Les différentes zones de la région cathodique 7
Figure (I.4) Distribution des potentiels et des courants entre les électrodes 11
Figure (I.5) Structure de la zone anodique 12
Figure (I.6) Formation de la couche double de Langmuir 13
Figure (l.7) Mécanisme de déplacement d'un spot cathodique 18
Figure (IV.1) Potentiel énergétique d’effet Nottingham pour différente valeurs
de la température T 56
Figure(IV.2) Variation de la température d’inversion  en fonction de F 59