SISYPHE : SIgnaux, SYstèmes et PHysiquE

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Milieux granulaires

Conduction électrique dans les milieux granulaires

E. Falcon, B. Castaing, C. Laroche, M. Creyssels, A. Merlen

Collaboration : S. Dorbolo (Université de Liège)

Découvert en 1890 par Edouard Branly, l'effet cohéreur ou effet Branly est la transition d'un régime isolant électriquement à un état conducteur d'une poudre métallique oxydée lorsqu'une onde électromagnétique est émise dans son voisinage. Un tel recepteur d'ondes fût à l'origine des premières transmissions radio sans fils à la fin du 19^ème siècle. Cependant, l'origine physique de ce phénomène reste à l'heure actuelle toujours partiellement incomprise. Un phénomène similaire de transition de conduction est aussi observé en continu (appelé effet Branly continu), c'est-à-dire lorsqu'une tension électrique continue est directement appliquée à l'échantillon et dépasse un certaine valeur.

Nous avons entrepris au laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon diverses expériences (1D, réseau bidimensionnel de billes, et poudre métallique) permettant de comprendre l’origine de cette transition de conduction électrique. Ces études ont été récompensées par l'obtention du Prix Branly 2004. Toutes nos expériences sont jusqu’à présent réalisées en continu, l’influence de la fréquence de l’onde sera entreprise ultérieurement.

Au moyen d'une expérience modèle avec une chaîne de billes métalliques, nous démontrons, pour la première fois, que l’origine la transition de conduction électrique (effet Branly continu) résulte de l'échauffement local des microcontacts entre chaque bille jusqu'à l'apparition de microsoudures. L'augmentation de température atteint 1050°C pour une tension appliquée aussi faible que 0.4 V! Ainsi, la transition de conduction électrique est reliée aux propriétés locales au niveau du contact entre deux grains. Elle constitue un premier pas vers les milieux plus réalistes tels qu’un réseau 2D ordonné de billes (incluant le désordre des contacts), ou un échantillon de poudre métallique (incluant le désordre de position):

Appliquons une tension électrique continue aux bornes d’une poudre métallique. Sous certaines conditions, l’évolution temporelle du courant qui la traverse est alors très bruitée. Nous montrons alors que ce bruit électrique possède d’intéressantes propriétés d’invariance d’échelle (sur 4 décades en temps) et d’intermittence qui proviennent de dilatations thermiques créant ou détruisant localement les contacts électriques. Ces dilatations peuvent intervenir à toutes les échelles (taille du grain, taille des lignes de courant, taille de l'échantillon) ; les petites échelles dépendant des grandes échelles avec des similarités et des différences avec la turbulence hydrodynamique. Ces étonnants phénomènes d’auto-similarité, sont reliés aux effets collectifs de la matière granulaire.