Auteurs : P. Bidan et S. Dinculescu
Fig. 1 : Contournement électrique.
Dans l'air sec à 20°C et entre 2 sphères conductrices, la courbe de Paschen [1] (Fig. 2) décrit l'évolution de la tension de claquage (rupture diélectrique de l'air avec apparition d'un arc) en fonction du produit p.d (pression x distance). La tension est sinusoïdale à 50 Hz et est donnée en valeur crête sur la courbe. A pression atmosphérique et à 20°C, la tension de claquage est d'environ 4500 V crête par mm. Pour claquer l'air sur une distance de 1 cm, la tension doit donc atteindre une valeur voisine de 30 kV.
Fig. 2 : Courbe de Paschen.
Si un disque de verre de 50 cm de diamètre et de 1 cm d'épaisseur est placé entre les 2 électrodes de cuivre de 10 cm de diamètre, tel que représenté sur la figure 1, on peut penser que la tension de claquage va considérablement augmenter, car le verre a une rigidité diélectrique 100 fois supérieure à l'air : pour claquer 1 cm de verre, il faudrait théoriquement 450 kV crête. Par ailleurs, pour contourner la plaque de verre (c'est à dire un trajet pour l'arc au minimum de 41 cm), la courbe de Paschen prévoirait une tension de 1 million de Volts. En fait, il suffit d'une tension de 80 kV crête pour déclencher des arcs rampants sur la surface du disque (figure 1 et animation ci-dessous). Le contournement de surfaces isolantes est donc un phénomène qui peut notablement abaisser les seuils de claquage. C'est pour cette raison que, dans la distribution aérienne de la HT et THT (haute et très haute tensions), les isolateurs ont des formes latérales ondulées qui permettent en particulier d'augmenter le chemin que doit suivre l'arc et donc de relever le seuil de claquage.
Lors de l'année mondiale de la physique en 2005, S. Dinculescu, du Laboratoire de Génie Electrique de Toulouse, a mis en oeuvre une démonstration du phénomène de contournement pour les collégiens en visite au laboratoire. Le dispositif de la figure 1 a été réalisé et alimenté par un transformateur haute tension, dont la tension sinusoïdale à 50 Hz appliquée au primaire était progressivement augmentée jusqu'au claquage. La video ci-dessous illustre cette manipulation.
Vidéo sur le contournement électrique (LGET - Année de la Physique 2005).
Friedrich Louis Carl Heinrich Paschen (22 janvier 1865 à Schwerin - 25 février 1947 à Postdam) est un physicien allemand, principalement connu pour ses travaux sur les décharges électriques. De 1924 à 1933, il fut président de l'Institut physico-technique de Berlin, et professeur honoraire à l'université de Berlin à partir de 1925. Il a été le premier à observer en 1908 les raies spectrales de l'hydrogène dans l'infrarouge : les raies de Paschen. En 1889, il établit [1] la courbe de Paschen utilisée en physique des plasmas, selon la loi qui porte également son nom, la loi de Paschen.
[1] F. Paschen, Sur la différence de potentiel nécessaire à la formation d'arc électrique dans de l'air, de l'hydrogène et du gaz carbonique sous différentes pressions (trad. Über die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff and Kohlensäure bei verschiedenen Drücken erforderliche Potentialdifferenz), Wied. Annales de physique, Vol.37, pages 69-96, 1889.