Etude des mécanismes d'injection de charge dans les matériaux isolants au moyen de mesures électrostatiques de déclin et retour de potentiel : nouveaux outils d'analyse

Charge injection in insulators studied by electrostatic measurements of potential decay and return voltage : new tools of analysis

• Auteur / Autrice : Pedro Llovera Segovia
• Direction : Michel Meunier, Alfredo Quijano López
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universitat politècnica de València (Valence, Espagne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants

Mots clés libres

@Mécanismes d'injection de charge

@Mesures électrostatiques de déclin

@Retour de potentiel

Résumé

Des techniques d'étude de la distribution de la charge d'espace dans les isolants ont été développées au cours des dernières années (onde de pression, méthode électroacoustique ou onde thermique). Elles ont déplacé la méthode de mesure électrostatique du potentiel de surface d'un échantillon chargé ou neutralisé (déclin et retour de potentiel). Mais, cette technique, simple de mise en oeuvre, reste performante dans de nombreuses application, notamment, l'étude d'échantillons minces pour lesquels les nouvelles techniques ne sont pas encore utilisables. Notre travail sur des films de polypropylène et de résine époxy met en évidence les qualités de la mesure du potentiel de surface comme outil d'analyse des propriétés diélectriques et montre sa complémentarité avec d'autres mesures. Nous proposons un nouvel outil mathématique d'analyse des courbes de déclin et de retour de potentiel qui permet d'isoler les différentes composantes de la réponse diélectrique. Avec une transformée mathématique directe et en variant des paramètres expérimentaux (champ électrique, métallisation des échantillons, température, type de charge, cycle de polarisation, etc. ) nous avons séparé les contributions de l'injection de charge et de la polarisation dans le déclin de potentiel. Nous réalisons aussi une analyse des courants sous la décharge couronne qui permet de faire le lien avec le déclin de potentiel. A partir de nos observations expérimentales, nous proposons une modélisation qualitative de la charge et du déclin de potentiel de l'échantillon en utilisant un modèle contrôlé par l'émission des pièges de surface et par les échanges entre la décharge couronne et la surface. Nous présentons aussi une extension du modèle de déclin de potentiel par le plan de charge de Coelho qui inclut la polarisation. Enfin, nos mesures montrent une application prometteuse de la technique de mesure de potentiel pour l'étude de la charge d'espace et du vieillissement d'échantillons sous tension alternative.

During the last few years, there have been developments in the techniques of characterizing space charge distribution in insulators (in particular, pressure wave, pulsed electroacustic or thermal wave). These more recent techniques have replaced very often the characterization of insulators by means of the electrostatic measurement of surface potential of a charged sample (potential decay) or of a neutralized sample (potential return). However, this simple and low cost technique is still useful in several applications, for example, for the study of thin samples for which the new techniques today are still not useable. Our work shows, through some measurements on polypropylene and epoxy films, the validity of the surface potential measurements as a technique for dielectric properties analysis, and also shows that it is complementary with other types of measurements. We propose a new tool analysis of the decay and potential return curves that separates the different components of dielectric response. With a direct mathematical operation and varying some experimental conditions (electric field, metallization, temperature, charging method, polarization cycle, etc. ) we have identified the charge injection and polarization contributions to the potential decay. We also propose an analysis of currents under corona discharge that shows the relationship between current and potential decay. From our experimental observations we suggest a qualitative interpretation of the sample charging and of the potential decay that uses a model controlled by surface trap emission and charge exchanges between corona discharge and the insulator surface. We show an extent of the charge plain model for the potential decay as proposed by Coelho in which we include the polarization effect. Finally, our measurements show an interesting application of the surface potential technique for the study of space charge and ageing of samples under alternative voltage that demand further development.