Influence de la dimensionnalité et de la complexité d'un réseau de billes sous compression mécanique sur les transports électrique et thermique dans les milieux granulaires métalliques : de l'interface individuelle aux propriétés collectives

Influence of the dimensionality and complexity of metallic granular media under mechanical stress on its thermal and electrical transport properties : from the individual bead-bead interface to the collective properties of beads assemblies

• Auteur / Autrice : Aymen Tekaya
• Direction : Robert Bouzerar, Valéry Bourny, Emmanuel Bellenger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des systèmes complexes (Amiens ; 2008) - Laboratoire des technologies innovantes (Amiens ; 2004-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Bouzerar, Valéry Bourny, Emmanuel Bellenger, Stéphane Dorbolo, Lanto Rasolofondraibe, Djimédo Kondo, Mathieu Renouf, Jean-Paul Chehab, Martial Clin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Dorbolo, Lanto Rasolofondraibe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Transport

Milieux granulaires

Mots clés libres

Effet Branly

Contact électrique

Transport tunnel

Relaxation électrique lente

Microcontacts

Résumé

La thèse porte essentiellement sur la caractérisation physique du contact électrique entre deux billes métalliques ainsi que le couplage électro-thermo-mécanique de systèmes de billes. Nous montrerons tout au long de cette étude que les travaux menés sur les billes peuvent être appliqués aux milieux granulaires mais aussi, dans une certaine limite, aux roulements à billes tels que l'on peut en trouver dans les machines industrielles. La principale partie, avec l'étude expérimentale, concernera la modélisation théorique et numérique des propriétés électriques de ces billes aussi bien que de l'interface entre celles-ci. Nous montrons ainsi que l'état de surface ainsi que son évolution sont responsables de nombreux phénomènes observés. En effet, la couche d'oxyde présente naturellement à la surface de ces éléments joue un rôle essentiel dans les propriétés électriques telles que la courbe d'hystérésis de la caractéristique courant-tension (passage état isolant/conducteur, effet Branly) ou bien la relaxation électrique lente. Cela nous a donc menés à utiliser d'autres approches ''non usuelles'' par rapport aux travaux déjà effectués sur ces sujets. La plus intéressante de ces approches, celle suggérée par P. G. De Gennes pour les milieux granulaires, est l'incorporation du transport électrique tunnel au niveau de la jonction bille/bille puisque la couche d'oxyde, citée plus haut, érige une barrière isolante qui s'oppose au passage des électrons entre 2 billes voisines, favorisant ainsi le transport quantique

This thesis mainly deals with the physical characterization of the electrical contact between two adjacent steel beads as well as the electro-thermal coupling taking place at the level of larger assemblies of beads. We thus show how these studies made on couples of metallic beads may be applied to granular media and even, subject to certain limitations, to ball bearings, part of tooling machines, for the detection of certain surface defects. The main part of the subject, with the experimental study, consists on the theoretical and numerical modeling of the metallic beads electrical properties and the electrical contact properties. We show how the surface state and its evolution through time are responsible for several observed phenomena. Indeed, the oxide layer present at the surface of the beads plays a key role in global electrical properties such as the hysteresis loop of the current-voltage characteristic (DC Branly effect) as well as the slow voltage relaxation. This led us to use new approaches in order to explain the experimental results. The most promising one, suggested by P. G. De Gennes for granular media, is the influence of electron tunneling process between neighboring beads which is acting through the insulating oxide layer, promoting thus quantum transport