Etude de l'influence des forces magnétiques sur l'hydrodynamique et le transfert de matière en électrochimie

The effect of the magnetic fields on the matter transfer processes can appear primarily before the existence of two forces. The first one is the electromagnetic force which result from the interaction of the magnetic field B with the current density J according to: FL=jxB. The other force is the one acting on the paramagnetic species in solution: F(m/20)B2C , with χm molar magnetic susceptibility, μ0 the magnetic permeability and C concentration of paramagnetic species. This expression results from an energy approach. The work presented here aims on one hand to highlight the existence of the forces of magnetic origin and, on the other hand, to quantify their influence on matter transfer processes. This work is based on both an experimental and theoretical approaches. From an experimental point of view, an electrochemical cell was carried out in a simple configuration to allow an analysis that deviates from the often adopted geometries using circular electrodes. This cell is a parallelepiped that makes it possible to finely control the distributions of electric current and to impose a parallel magnetic field to the current density, eliminating the electromagnetic forces. The experiments carried out permit to measure the local and total current densities and to follow their evolution according to the magnetic field. These measurements are supplemented by recording the velocity field carried out under field for the first time, using ultrasound velocimetry. From theoretical point of view, the work was based on the numerical modelling of the flow. This approach was carried out in two dimensions by supposing the permanent mode, which limited the approach to moderate magnetic fields. Beyond certain values, instabilities appear, not allowing an exploitation of the model. Later work will be very useful for a total validation. In addition, a phenomenological approach of the processes leads to laws of evolution of the matter transfers in B2/3 identified by the majority of the experimenters. The confrontation of the theoretical and experimental results reveals an excellent agreement, even if this comparison is limited to the low values of the magnetic field, for the already stated reasons, that finally confirms the existence of the magnetic force field likely to control the transfers in electrochemistry.L’effet des champs magnétiques sur les processus de transfert de matière peut se manifester essentiellement du fait de l’existence de deux champs de forces : les forces électromagnétiques qui résultent de l’interaction du champ magnétique B avec la densité de courant j selon : FL=jxB. L’autre champ de force a été mis en évidence beaucoup plus récemment. Il s’agit d’une force agissant sur les espèces paramagnétiques en solution : F(m/20)B2C, avec χm la susceptibilité magnétique molaire, μ0 la perméabilité magnétique et C la concentration d’espèce paramagnétique). Cette expression, qui résulte d’une approche énergétique. Le travail présenté a pour objectif d’une part de mettre en évidence l’existence des forces d’origine magnétique, et d’autre part de quantifier leur influence sur les processus de transfert de matière. Le travail est basé sur une double approche expérimentale et théorique. Sur le plan expérimental une cellule électrochimique a été réalisée dans une configuration aussi simple que possible pour permettre une analyse qui s’écarte des géométries souvent adoptées utilisant des électrodes circulaires. Cette cellule est de forme parallélépipédique ce qui permet de mieux contrôler les distributions de courant électrique et d’imposer un champ magnétique parallèle à la densité de courant, éliminant au maximum les forces électromagnétiques. Les expériences réalisées permettent de mesurer les densités de courant locales et globales et de suivre leurs évolutions en fonction du champ magnétique. Ces mesures sont complétées par l’enregistrement du champ de vitesse effectué sous champ pour la première fois, à l’aide de sonde à ultrason. Sur le plan théorique, le travail se fonde sur la modélisation numérique des écoulements (CFD model). Cette approche a été réalisée en deux dimensions en supposant par ailleurs le régime permanent, ce qui a limité l’approche à des champs magnétiques modérés. Au-delà de certaines valeurs, des instabilités se manifestent, ne permettant pas une exploitation du modèle. Des travaux ultérieurs seront très utiles pour une validation totale. Par ailleurs, une approche phénoménologique des processus a permis de retrouver les lois d’évolution des transferts de matière en B2/3 identifiées par la plupart des expérimentateurs. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux révèle un excellent accord, même si cette comparaison est limitée aux faibles valeurs du champ pour les raisons déjà énoncées, ce qui permet finalement de confirmer l’existence du champ de force magnétique comme élément susceptible de contrôler les transferts en électrochimie