'CONTRAT DOCTORAL PRIORITAIRE' Analyse et mesure de la distribution spatiale des charges au sein de la double couche électrique : approche expérimentale et numérique

par Xavier Sidambarompoule

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Petru Notingher.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    A l'interface entre un solide et un liquide, des mécanismes physico-chimiques mal identifiés conduisent à la formation d'une « double couche électrique », constituée de deux zones de charge électrique de signes contraires, l'une dans le solide, l'autre dans le liquide. Le développement de cette double couche peut avoir des effets bénéfiques ou, à l'opposé, initier des phénomènes d'accumulation et de transport de charge conduisant à des décharges électrostatiques non souhaitées. Dans les deux cas, l'étude qualitative et quantitative de cette double couche électrique revêt un grand intérêt applicatif, dans des domaines aussi divers que les systèmes d'isolation, les applications bio-médicales, le frottement etc. Différentes approches théoriques ont été développées, notamment au sein de l'institut PPRIME de POITIERS. Elles ont permis d'établir, au moyen de certaines hypothèses, des expressions analytiques donnant la répartition des charges, ainsi que de développer des codes numériques décrivant le développement temporel et spatial de la double couche électrique. Ces modèles ont fait l'objet de confrontations expérimentales, notamment à travers des expériences dites « d'électrisation par écoulement ». Les mesures de courant associées à ces expériences impliquent une mise en écoulement du liquide, souvent laminaire, qui est supposée ne pas modifier la distribution des charges électrique à l'interface solide/liquide. De récentes investigations ont mis quelque peu en défaut cette hypothèse, et semblent montrer un lien entre le frottement pariétal et la quantité de charges crée à l'interface solide/liquide. D'autre part, il a été mis en évidence récemment que cette couche peut être fortement affectée par un champ électrique externe, dès que la valeur de celui-ci dépasse quelques dizaines de volts par millimètre. L'objet du travail proposé est double. Il s'agit, d'une part, de développer une technique expérimentale pour mesurer le champ électrique à l'interface solide/liquide, pour laquelle des résultats préliminaires ont très récemment montré la faisabilité. Basée sur des principes de mesure de charge d'espace dans les solides diélectrique mis au point à l'IES Montpellier, cette méthode permettrait de décrire quantitativement et qualitativement la distribution des charges électriques de la double couche électrique. D'autre part, il s'agit de poursuivre et étendre les études expérimentales et numériques menées depuis plusieurs d'années à Poitiers. Les moyens nécessaires à l'étude sont répartis au sein des deux laboratoires. Ainsi, le travail sera conduit en partie à l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier et en partie au sein de l'Institut PPRIME de Poitiers, les deux entités ayant des moyens expérimentaux et de calcul complémentaires. Ces travaux sont soutenus par le LABEX « Interactif » porté par l'Université de Poitiers, qui s'intéresse spécifiquement aux problématiques en lien avec les interfaces solide/liquide. Outre le caractère novateur de l'analyse expérimentale, qui pourrait trouver des applications dans une large gamme de domaines liés aux « liquides chargés », les attentes sont importantes notamment sur la compréhension de la genèse des charges au sein de la double couche électrique.

  • Titre traduit

    Analysis and measurement of the space charge distribution across the Electrical Double Layer: experimental and numerical approach


  • Résumé

    At the interface between a solid and a liquid, physicochemical mechanisms misidentified lead to the formation of an "electric double layer" that consists of two zones of electric charge of opposite signs, one in the solid, the other in the liquid. The development of this double layer can be beneficial or, conversely, initiate accumulation phenomena and charge transport leading to unwanted electrostatic discharge. In both cases, the qualitative and quantitative study of the electrical double layer is of great applicative interest, in areas as diverse as insulation systems, bio-medical applications, friction etc. Different theoretical approaches have been developed, particularly within the Institut PPRIME of Poitiers. They have established, by means of certain assumptions, analytical expressions for the load distribution, as well as develop numerical codes describing the temporal and spatial development of the electrical double layer. These models have been the subject of experimental results, including through experiences called "electrifying flow." Current measurements associated with these experiences involve a flowing out the liquid, often laminar, which is assumed not to change the distribution of electrical charges at the solid / liquid interface. Recent investigations have somewhat faulted this hypothesis, and seem to show a link between the wall friction and the amount of charges created at the solid / liquid interface. On the other hand, it has been shown recently that this layer can be greatly affected by an external electric field, when the value thereof exceeds a few tens of volts per millimeter. The purpose of the proposed work is twofold. This is, firstly, to develop an experimental technique to measure the electrical field in the solid / liquid interface, for which preliminary results have recently demonstrated the feasibility. Based on principles of measurement of space charge in the dielectric solids developed at IES Montpellier, this method would quantitatively and qualitatively describe the distribution of electrical charges of the electric double layer. Secondly, it is to continue and extend the experimental and numerical studies conducted over several years in Poitiers. The means necessary for the study are divided into two laboratories. Thus, the work will be conducted in part at the Institute of Electronics and Systems Montpellier and partly within the Institut PPRIME of Poitiers, the two entities having experimental means and additional calculation. This work is supported by the LABEX "Interactive" worn by the University of Poitiers, which is specifically concerned with issues related to the solid / liquid interfaces. In addition to the innovative nature of the experimental analysis, which could find application in a wide range of areas related to "liquid loaded", expectations are important in particular on the understanding of the genesis of charges within the electrical double layer.