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Les décharges Sparks sont des décharges électriques transitoires avec une courte durée de vie. Par rapport à son initiation en milieu gazeux, l’initiation de ce type de décharges dans un liquide diélectrique induit de nouveaux phénomènes physico-chimiques dans le plasma et aux interfaces plasma-liquide et plasma-électrodes. Depuis une vingtaine d’années, la recherche scientifique exploite les propriétés de ces décharges pour des applications diverses : dépollution de liquide, synthèse de nanoparticules, usinage par électro-érosion, etc. Dans ce contexte, ce mémoire a pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de la physique des décharges Sparks dans les liquides diélectriques. Les décharges dans les liquides se caractérisent par un comportement stochastique fort. Des études statistiques d’un nombre important de décharges sur les caractéristiques électriques ont été effectuées en fonction de différents paramètres. Ces paramètres sont la distance inter-électrodes, la nature des électrodes ainsi que la polarité de la tension appliquée. L’acquisition des courbes courant-tension de chaque décharge permet de déterminer ses propriétés électriques, soient la tension de claquage, le courant de la décharge, le délai de claquage, la charge injectée, la probabilité de claquage, etc. L’influence d’un champ magnétique externe, en particulier son orientation par rapport à l’axe des électrodes, sur les caractéristiques de la décharge a ensuite été explorée. L’étude des interactions plasma-électrode en fonction de l’orientation du champ magnétique a été réalisée en analysant des images de la dispersion des impacts créés par les décharges sur la contre-électrode et de l’érosion de la pointe. De plus, nous avons démontré que la nature du matériau des électrodes, en particulier ses propriétés magnétiques, influe grandement le taux d’érosion de celles-ci. Les résultats rapportés dans ce mémoire contribueront non seulement à l’avancement de la physique des décharges dans les liquides, mais aussi au développement / optimisation des applications dans des différents domaines technologiques., Spark discharges are transient electric discharges with a short lifetime. Compared to its initiation in a gaseous medium, the initiation of this type of discharges in a dielectric liquid induces new physico-chemical phenomena in the plasma and at the plasma-liquid and plasma-electrode interfaces. For about twenty years, scientific research has been exploiting the properties of these discharges for various applications: liquid depollution, nanoparticle synthesis, electro-erosion machining, etc. In this context, this thesis aims to provide a better understanding of the physics of Sparks discharges in dielectric liquids. Discharges in liquids are characterized by a strong stochastic behavior. Statistical studies of a large number of discharges on the electrical characteristics have been performed as a function of different parameters. These parameters are the inter-electrode distance, the nature of the electrodes and the polarity of the applied voltage. The acquisition of the current-voltage curves of each discharge allows to determine its electrical properties, i.e. the breakdown voltage, the discharge current, the breakdown delay, the injected charge, the breakdown probability, etc. The influence of an external magnetic field, in particular its orientation relative to the axis of the electrodes, on the characteristics of the discharge was then explored. The study of the plasma-electrode interactions as a function of the magnetic field orientation was performed by analyzing images of the dispersion of the impacts created by the discharges on the counter-electrode and the erosion of the tip. Furthermore, we have shown that the nature of the electrode material, in particular its magnetic properties, greatly influences the rate of electrode erosion. The results reported in this thesis will contribute not only to the advancement of the physics of discharges in liquids, but also to the development / optimization of applications in different technological fields.

The terahertz (THz) frequency domain is of increasing interest for many applications, including medical imaging, molecular spectroscopy or modifications of condensed matter states. This thesis is devoted to the generation of such radiations by laser-plasma interactions, in which a laser-ionized gas acts as a converter from laser (optical) frequency to lower frequencies. We start by studying photoionization, from which a low-frequency current emitting in the THz frequency range is produced by introducing a second harmonic (or color) in the laser pulse ionizing the gas. Using a simple model, we describe qualitatively and quantitatively the gain in THz energy gain reported when the laser polarization is circular rather than linear. These analytical results are successfully compared with experimental data performed during the thesis. We then study analytically and numerically the Cherenkov wake radiation, through which the laser ponderomotive force excites an electron plasma wave, capable of propagating outside the plasma channel by coupling with a magnetic field orthogonal to the laser propagation axis. In the ultra-relativistic regime with strong magnetization (that is with cyclotron frequency higher than the plasma frequency), unexplored in the past, we achieve record THz amplitudes (> 100 GV/m) and high laser-to-THz energy conversion efficiencies (> 0.1%) by means of particle-in-cell, kinetic numerical simulations. Finally, when the magnetic field is directed parallel to the laser propagation axis, we highlight a novel efficient THz source (conversion efficiency > 0.1%) generating an azimuthally polarized THz field with high amplitude (>30 GV/m).; Le domaine des fréquences térahertz (THz) connaît un intérêt croissant pour ses applications nombreuses, incluant l'imagerie médicale, la spectroscopie moléculaire ou encore la modification d'états de la matière condensée. Cette thèse est consacrée à la génération de tels rayonnements par des interactions laser-plasma, dans lesquelles un gaz ionisé par une impulsion laser femtoseconde joue le rôle de convertisseur depuis la fréquence laser (optique) vers les basses fréquences. Nous commençons par étudier la photoionisation, à travers laquelle un courant basse-fréquence émettant dans la gamme THz est produit grâce à l'introduction d'une seconde harmonique (couleur) dans l'impulsion laser ionisant le gaz. A l'aide d'un modèle simple, nous décrivons qualitativement et quantitativement le gain en énergie THz constaté lorsque la polarisation laser est circulaire plutôt que linéaire. Ces résultats analytiques sont comparés avec succès à des données expérimentales obtenues pendant la thèse. Nous examinons ensuite analytiquement et numériquement le rayonnement de sillage Cherenkov, dans lequel la force pondéromotrice laser excite une onde à la fréquence plasma, pouvant être rayonnée hors du plasma par l'introduction d'un champ magnétique orthogonal à l'axe de propagation laser. En régime ultra-relativiste et de forte magnétisation (c'est-à-dire de fréquence cyclotron supérieure à la fréquence plasma électronique), inexploré jusqu'à présent, nous rapportons numériquement à l'aide de simulations particulaires et cinétiques des amplitudes THz record (> 100 GV/m) et de forts taux de conversion en énergie laser-THz (> 0.1%). Enfin, lorsque le champ magnétique est orienté parallèlement à l'axe de propagation laser, nous mettons en évidence une source de rayonnement nouvelle, produisant efficacement (rendement énergétique > 0.1%) un champ THz polarisé azimutalement et de forte amplitude (>30 GV/m).

The arrival of new telescopes and the improvement of the techniques of numerical simulations allow important progress to be made in the understanding of the mechanisms of star formation in the Universe. It's a major challenge, because star formation is determined by events at very large scales (a galaxy) and very small scales (the kernel of the atoms) and all the scales in the middle. This thesis aims at determining what are the main processes that may explain the star formation rate, that is the speed at which the gas from galaxies is converted into stars. In this work I tackle several scales and environments, but I focus on disk galaxies with a gas mass equal or up to fifteen times the gas mass in the Milky Way. The heart of the thesis is the numerical simulation of kiloparsec regions of galactic disk to study the role of stellar feedback, magnetic field and large scale turbulence on the star formation rate. The latter is found to be crucial in gas-rich galaxies and that prompted me to study more precisely the role of turbulence, in particular how it is generated in the galactic disk., Le développement de nouveaux télescopes spatiaux et terrestres, ainsi que l'amélioration des capacités et des techniques de simulations promettent des progrès important dans la compréhension des mécanismes de la formation stellaire. C'est un défi colossal, car la formation stellaire est un processus qui se joue à la fois à l'échelle très vaste d'une galaxie et à l'échelle plus petite d'un système stellaire (voire de l'atome), sans oublier toutes les échelles intermédiaires. Le travail de la thèse que vous vous apprêtez à lire a pour objectif principal de comprendre quels sont les processus physiques majeurs qui expliquent le taux de formation des étoiles, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le gaz qui compose en partie les galaxies s'effondre pour former des étoiles. C'est un travail multifacette et multiéchelle, mais qui se focalise sur les disques galactiques, de masse similaire ou jusqu'à quinze fois plus massives que la nôtre. Le cœur de la thèse porte sur la régulation du taux de formation d'étoiles à l'échelle du kiloparsec. À l'aide de simulations numériques, il s'agit de voir quels sont les processus physiques qui permettent d'expliquer les relations observées avec la quantité de gaz, en quantifiant notamment l'importance de la rétroaction stellaire et du champ magnétique. J'y mets en évidence le rôle essentiel joué par la turbulence à grande échelle dans les galaxies riches en gaz. Cela m'a poussé à l'étudier plus précisément, notamment pour comprendre sa génération dans le disque galactique.

International audience; A novel and original method of LF magnetic field imaging is presented, that uses a magnetic thin film coated with fluorescent dye. Due to high permeability and consequent hysteresis losses, the film is heated by the field. As the fluorescence of the coated material is temperature-dependent, magnetic field mapping can be obtained in a short time and on a large surface by recording images with a S-CMOS camera. This principle had been previously presented in the microwave regime, for both electric and magnetic fields imaging; here we propose first results in the low frequency regime (kHz frequency range).

Filamentary structures are ubiquitous in the interstellar medium (ISM), over broad ranges of size and density, with the densest filaments being the cradles of star formation. Both simulations and observations of the ISM show that the study of the relative orientations between filaments and the magnetic field can bring new insight into the role played by magnetic fields in the formation and evolution of filaments and thus in the process of star formation. During my thesis, I studied the relative orientations between filaments and the magnetic field in star formation regions observed in different Galactic environments and at different evolution stages. To this end, I combined data from the {it Herschel} satellite obtained as part of the Galactic Cold Cores (GCC) program with the polarization maps of the {it Planck} satellite. The latter measured the polarized thermal emission from dust grains, which traces the orientation of the magnetic field in the plane of the sky. The GCC program is composed of 116 fields representing regions of star formation, with a great diversity of filaments in terms of size, density, evolution stage, and Galactic environment. I first developed a new method, {tt FilDReaMS} ("{bf Fil}ament {bf D}etection & {bf Re}construction {bf a}t {bf M}ultiple { bf S}cales"), to extract filaments and determine their orientations. This method meets the various essential criteria for our study: reconstruction of the filamentary network, single-scale and multi-scale analyses, suitability for statistical studies, user-friendliness, and computation speed. I then applied {tt FilDReaMS} to a subsample of 4 {it Herschel} fields for which I analyzed in detail the filament relative orientations, and then to all 116 fields in view of a statistical analysis. My results are consistent with those of previous studies: I generally (but not systematically) find a transition in the preferred relative orientations, from parallel at low column densities to perpendicular at high column densities. Parallel/perpendicular relative orientations are mainly observed at small/large scales. Because the thermal emission from dust grains is optically thin, filament observations and magnetic field measurements can potentially be contaminated by the presence of foreground or background clouds. To overcome this problem, I developed a new method able to separate clouds along the line of sight by using the information contained in (dollarldollar, dollarbdollar, dollarvdollar) cubes of HI, dollar^{12}{rm CO}dollar, and dollar^{13}{rm CO}dollar. I then decomposed the {it Planck} polarization data in this 3D basis to reconstruct the magnetic field orientation of each cloud. I applied the method to a first {it Herschel} field, for which I obtained conclusive results. This analysis highlights the need to take into account the possible effects of confusion along the line of sight in the study of filament relative orientations.; Les structures filamentaires sont omniprésentes dans le milieu interstellaire (MIS), sur de nombreuses échelles de taille et de densité, les plus denses représentant les berceaux de la formation stellaire. Les simulations et les observations du MIS montrent que l'étude de l'orientation relative entre filaments et champ magnétique peut apporter un nouvel éclairage sur le rôle du champ magnétique dans la formation et l'évolution des filaments, et donc sur le processus de formation stellaire. Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'orientation relative entre filaments et champ magnétique dans des régions de formation stellaire observées dans différents environnements Galactiques et à différents stades d'évolution. À cette fin, j'ai combiné des données du satellite {it Herschel} obtenues dans le cadre du programme Galactic Cold Cores (GCC) avec les cartes en polarisation du satellite {it Planck}. Ce dernier a mesuré l'émission thermique polarisée des grains de poussière, qui trace l'orientation du champ magnétique sur le plan du ciel. Le programme GCC, quant à lui, est constitué de 116 champs représentant des régions de formation stellaire, avec une grande diversité de filaments en termes de taille, densité, stade d'évolution et environnement Galactique. J'ai commencé par développer une nouvelle méthode, {tt FilDReaMS} ("{bf Fil}ament {bf D}etection & {bf Re}construction {bf a}t {bf M}ultiple {bf S}cales"), pour extraire des filaments et déterminer leur orientation. Cette méthode répond aux différents critères indispensables à notre étude: reconstruction du réseau filamentaire, analyses simple-échelle et multi-échelles, automatisation à des fins statistiques, facilité d'utilisation et rapidité de calcul. J'ai ensuite appliqué {tt FilDReaMS} à un sous-échantillon de 4 champs {it Herschel} pour lesquels j'ai effectué une analyse détaillée de l'orientation relative des filaments, puis à l'ensemble des 116 champs en vue d'une analyse statistique. Mes résultats sont cohérents avec ceux des études précédentes: je retrouve généralement (mais pas systématiquement) une transition dans l'orientation relative préférentielle, de parallèle aux faibles densités de colonne à perpendiculaire aux grandes densités de colonne. Les orientations relatives parallèles/perpendiculaires sont essentiellement observées aux petites/grandes échelles. Parce que l'émission thermique des grains de poussière est optiquement mince, l'observation des filaments et la mesure du champ magnétique peuvent potentiellement être contaminées par la présence de nuages d'avant- ou d'arrière-plan. Afin de pallier à ce problème, j'ai développé une nouvelle méthode permettant de séparer les nuages le long de la ligne de visée en utilisant l'information contenues dans des cubes (dollarldollar, dollarbdollar, dollarvdollar) des traceurs HI, dollar^{12}{rm CO}dollar et dollar^{13}{rm CO}dollar. J'ai ensuite décomposé les données de polarisation de {it Planck} sur cette base 3D pour reconstruire l'orientation du champ magnétique de chaque nuage. J'ai appliqué la méthode à un premier champ {it Herschel}, pour lequel j'ai obtenu des résultats concluants. Cette analyse souligne la nécessité de prendre en compte les effets possibles de confusion le long de la ligne visée dans l'étude de l'orientation relative des filaments.

Star formation in the interstellar medium has been under debate for decades. The unprecedented high-quality images provided by Herschel have shown that filaments are ubiquitous in molecular clouds and play a key role in the star formation (SF) process. These filaments have been shown to exhibit a common inner width of about ∼ 0.1 pc, and more than 75 % of the detected prestellar cores are embedded in thermally trans-critical or super-critical filaments with masses per unit length M_line ≳ M_(line,crit) (where M_(line,crit) = 2c_s/G ∼ 16M_sun is the critical mass per unit length of an isothermal filament). Herschel findings support a filament paradigm for SF in which : (1) Large-scale magnetohydrodynamic (MHD) supersonic turbulence compresses interstellar material to form a cobweb of filamentary structures with a common inner width of about ∼ 0.1 pc; (2) The densest filaments fragment to form prestellar cores due to gravitational instability when M_line is close to or exceeds the critical mass per unit length M_(line,crit). However, the detailed process of how filaments fragment into cores remains actively debated. There are hints that the magnetic field may be the ignored ingredient toward understanding SF. Planck results suggest that the B-field lines tend to be parallel to low density filaments and perpendicular to the high-density filaments. Due to the low angular resolution of Planck polarization data (10 arcmin), these observations are, however, unable to probe the magnetic field inside filaments on scales at which fragmentation occurs. The detailed knowledge of the role of magnetic fields in the SF process has therefore not yet been achieved. Constraining the B-field geometry/strength at different wavelengths and high angular resolution will help understand how magnetic fields may regulate the SF in the cold interstellar medium (ISM). This thesis aims to clarify the role of magnetic fields in SF using high-angular resolution, sensitive polarimetric instruments. The B-FUN large program with the NIKA2-Pol polarimeter on the IRAM 30m telescope will provide high angular resolution (11.7 arcsec) and sensitive polarization data toward nearby star-forming filaments. During my Ph.D., I contributed to the commissioning of NIKA2-Pol. The commissioning of NIKA2-Pol had to face several challenging issues, in particular, the instrumental polarization (IP) or intensity-to-polarization “leakage” effect. I characterized the variation of the leakage effect with several parameters (elevation, focus position, and observing conditions). I investigated the origin of the IP, and presented an analytical model for the IP leakage. I illustrated how this effect can be corrected for, leading to reliable exploitable data in a structured, extended field such as the OMC-1 filament in the Orion A molecular cloud. I presented a statistical comparison between NIKA2-Pol and SCUBA2-Pol2 results in the OMC-1 region. These results helped to demonstrate the ability of NIKA2-Pol to provide high-quality polarization data. Furthermore, I investigated the geometry/strength of the magnetic field toward the OMC-1 filament using NIKA2-Pol commissioning data. I confirmed the presence of a previously-detected largescale hourglass pattern in the magnetic field distribution, and I found evidence of a possible new local hourglass centered at the position of Orion-KL detected thanks to the NIKA2-Pol high angular resolution data. I also made estimates of the magnetic field strength in this region using the Davis-Chandraskher-Fermi method. In parallel, I used SOFIA/HAWC+ polarization data to study the magnetic field geometry/strength in the B211/B213 filament of the Taurus molecular cloud. Finally, I performed a power spectrum analysis of velocity fluctuations along a sample of filaments in the Aquila star-forming region to elucidate the initial conditions for the fragmentation of filaments into chains of dense cores.; La formation d’étoiles dans le milieu interstellaire est débattue depuis des décennies. Les observations récentes de la mission spatiale Herschel ont montré que les structures filamentaires sont présentes dans tous les nuages moléculaires observés et que ces filaments jouent un rôle crucial dans la formation d’étoiles. Ces observations ont montré que ces filaments ont une largeur commune de 0.1 pc et que la plupart (75 %) des cores pre-stellaires détectés sont dans des filaments trans-critiques ou super-critiques pour lequel la masse par unité de longueur excède le seuil critique de l’instabilité gravitationnelle d’un filament cylindrique de gaz isotherme dont M_line ≳ M_(line,crit) ( M_(line,crit) = 2c_s/G ∼ 16M_sun est la masse par unité de longueur). Les résultats d’Herschel favorisent le paradigme de formation d’étoiles dans les filaments dans lequel : ( 1) la turbulence supersonique magnéto-hydrodynamique (MHD) à grande échelle comprime la matière pour former des structures filamentaires avec une largeur interne commune ∼ 0.1 pc; (2) Les filaments les plus denses se fragmentent et s’effondrent pour former des noyaux pré-stellaires en raison de leur instabilité gravitationnelle lorsque M_line est proche ou dépasse la masse critique par unité de longueur M_(line,crit). Il y a des indices que le champ magnétique peut être l’ingrédient ignoré pour comprendre la formation d’étoiles. L’objectif de cette thèse est de clarifier le rôle de champ magnétique dans la formation d’étoiles en utilisant des polarimètres plus sensibles et à haute résolution angulaire. Le grand programme d’observations (B-FUN) garanti avec NIKA2-Pol et alloué par l’IRAM 30m va conduire des observations d’imagerie polarimétrique à 1.2 mm pour observer des filaments moléculaires proches formant des étoiles. Durant ma thèse, j’ai contribué aux tests et à la mise en service de l’instrument NIKA2-Pol. Cet instrument a dû faire face aux plusieurs problèmes, en particulier l’effet de la polarisation instrumentale ou la fuite de l’intensité total à la polarisation. J’ai caractérisé la variation de cet effet avec plusieurs paramètres (elevation, foyer et conditions d’observations). J’ai enquêté sur l’origine de cette polarisation instrumentale affectant les données de NIKA2-Pol comme toute aute polarimetre au monde. J’ai présenté un modèle analytique qui permet de reproduire cet effet. J’ai montré comment corrigé les données de NIKA2-Pol de la polarisation instrumentale et j’ai exploité ces données pour étudier le filament d’OMC-1 dans le nuage moléculaire d’Orion A. J’ai présenté une comparaison statistique entre les résultats obtenus par les polarimètres SCUBA-POL2 et NIKA2-Pol. Ces résultats ont permis de démontrer la capacité de NIKA2-Pol à fournir des données de polarisation de haute qualitées. J’ai confirmé la présence du champ magnétique se forme d’une “hourglass” (sablier) à grande échelle dans le filament OMC-1 précédemment détecté par d’autre polarimetres. J’ai trouvé des preuves d’un possible nouvel “hourglass " centré à la position d’Orion-KL grâce à la sensibilité et la haute résolution angulaire de NIKA2-Pol. J’ai estimé l’intensité du champ magnétique dans cette région en utilisant la méthode Davis-Chandraskher-Fermi. En parallèle, j’ai utilisé les données de polarisation obtenue par le polarimetre SOFIA/HAWC+ pour étudier la géométrie/intensité du champ magnétique dans le filament B211/B213 du nuage moléculaire Taurus. Enfin, j’ai effectué une analyse du spectre de puissance des fluctuations de vitesse le long d’un échantillon de filaments dans la région de formation d’étoiles d’Aquila pour élucider les conditions initiales de la fragmentation des filaments en chaînes de noyaux denses.

From mechanical to electrical effects, a direct lightning strike to an industrial facility can cause severe damage. Knowing what to expect is not only fundamental to design the lightning protection system of the facility, but also necessary to achieve reliability and safety. One can find valuable principles in the existing literature to protect structures and equipment against the adverse effects of lightning. However, the principles which current standards are based on cannot be used in the safety demonstration. There is hence a growing need for accurate and validated tools to estimate the effects of lightning strikes and assess the risk associated. In this thesis, we have decided to focus on the indirect effects of direct lightning strikes on large industrial facilities. More specifically, on estimating the peak-values of the transient magnetic field generated by a direct strike inside industrial buildings, and the surges induced in underground cables when one of the buildings in the facility is struck by lightning. We carry out simulations using TEMSI-FD, a full-wave solver based on the finite-difference time-domain (FDTD) method. Then, using the data obtained from the simulations, we build different surrogate models to create a set of engineering tools to calculate the peak-values. Full-wave simulations can be computationally expensive and time consuming. Sometimes all one needs is a quick yet reasonable estimation of the values., Le foudroiement d’une installation industrielle peut engendrer de graves dégâts. L’estimation des effets de la foudre est non seulement essentielle pour concevoir le système de protection, mais également nécessaire pour assurer la fiabilité et la sûreté des installations. Les méthodes d’estimation proposées dans les référentiels de protection contre la foudre ne sont pas adaptées au cas particulier des installations industrielles et ne peuvent pas être utilisées dans la démonstration de sûreté des sites. Il existe donc un besoin croissant d'outils précis et validés pour estimer les effets de la foudre et évaluer le risque associé. Dans ce manuscrit, nous avons décidé de nous focaliser sur les effets indirects de la foudre sur des installations industrielles, plus précisément, sur les perturbations électriques occasionnées par le foudroiement d’un bâtiment industriel et sur l’évaluation du champ magnétique à l’intérieur du bâtiment foudroyé. Des simulations sont réalisées à l'aide de TEMSI-FD, un logiciel de calcul scientifique basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Puis, en utilisant les résultats des simulations, nous construisons des métamodèles afin de créer un ensemble d'outils de calcul simples et précis destiné aux services d’ingénierie.

Si les effets des champs électromagnétiques basses fréquences à court terme sont relativement connus, il n’existe pas actuellement de consensus sur les effets à long terme. Dans le cadre professionnel, la réglementation impose à l’employeur de procéder à une estimation du niveau d’exposition des travailleurs, dès lors que les niveaux de champ magnétique dépassent un certain seuil. Lorsqu’il est impossible de procéder autrement, il est nécessaire de calculer le champ électromagnétique à l’intérieur même du corps humain par des techniques de dosimétrie numérique. Ces techniques consiste à réaliser des simulations avec des modèles anatomiques très détaillés du corps humain appelés « fantômes ». Or, tous les fantômes existants sont donnés dans une position figée, debout avec les bras le long du corps. Il est donc nécessaire de disposer de nouveaux outils ou modèles permettant de simuler les interactions entre l’exposition en basse fréquence (50-100 kHz) et le corps humain, en fonction des postes occupés.

The various active phenomena observed in solar-type stars are a consequence of their internal magnetism. Stellar rotation is responsible for the efficient amplification of internal magnetic fields through a global dynamo. However, magnetic activity seems to reach an upper limit for stars with sufficiently large rotation rates, although the exact rotation threshold for saturation depends on the magnetic tracer taken into account. This so-called saturation phenomenon is still lacking an in-depth exploration. While a number of classical activity tracers unveil the presence of magnetic fields in the atmosphere of cool stars, their direct measurement has long been very difficult. During the last three decades, the spectacular progress in our capacity to measure and model the Zeeman effect has increased dramatically our knowledge of stellar magnetism. A fine understanding of stellar activity is also critical to model the planetary environment of close-in planets. Most M-dwarfs display high activity levels, and these stars dominate the stellar population in the solar neighborhood. For M-dwarfs, the low stellar mass results in a close-in habitable zone, where stable liquid water can exist on the planetary surface. Close-in giant planets around young Suns are also attractive to investigate, as they reflect the early evolution of planetary systems, and provide a key insight into the migration pathways creating hot Jupiters. Photometric monitoring is one of the most efficient methods to characterize transiting exoplanets and activity-induced brightness variations of the host stars. We proposed to build a near-infrared CubeSat-type photometer named MARSU. This compact space telescope is low-cost and flexible to schedule observations. As a dedicated infrared space photometer with an 8.5cm diameter, MARSU is expected to detect transiting Earth-like planets in the habitable zone of M dwarfs, while characterizing the activity of the host star. It will achieve continuous photometric monitoring in the near-infrared for stars up to an H magnitude of ~11, at a precision better than one mmag over continuous periods of up to 3 months. In the first study of this thesis, we investigated the magnetic activity of the prototypical, zero-age main sequence, rapid rotator V530 Per. Time-resolved spectropolarimetric observations at two epochs (2006 and 2018) were gathered with ESPaDOnS, enabling us to explore the surface distribution of brightness and magnetic fields, the latitudinal differential rotation, and the prominence system by using tomography tools. The brightness map is dominated by a large, dark spot near the pole, accompanied by a complex distribution of bright and dark features at lower latitudes. Most of the large-scale magnetic field energy is stored in the toroidal field component. Both brightness and magnetic field maps of V530 Per are sheared by solar-like differential rotation. The prominence system is organized in a ring at the approximate location of the co-rotation radius and displays significant short-term evolution within a few days. The second part of the thesis was a feasibility assessment for the detection of exoplanets around active stars with MARSU. We developed an end-to-end numerical simulator of MARSU observations. This simulates all stages, from the light generated by the planetary system to the image acquisition and the extraction of light curves. A number of tests were made to evaluate the performance of the payload and confirmed that MARSU can detect habitable Earth-like exoplanets around M-dwarfs and close-in giant planets around young solar-like stars.; Les divers phénomènes actifs observés dans les étoiles de type solaire sont une conséquence de leur magnétisme interne. La rotation stellaire est responsable de l'amplification des champs magnétiques internes à travers une dynamo globale. Cependant, l'activité magnétique semble atteindre une limite supérieure pour les étoiles avec des vitesses de rotation suffisamment grandes, bien que le seuil de rotation exact pour la saturation dépende du traceur magnétique pris en compte. Le régime saturé de la dynamo stellaire n'a pas encore bénéficié d'une exploration approfondie. Si nombre de traceurs d'activité classiques révèlent la présence de champs magnétiques dans l'atmosphère des étoiles froides, leur mesure directe a longtemps été très difficile. Au cours des trois dernières décennies, les progrès spectaculaires de notre capacité à mesurer et à modéliser l'effet Zeeman ont considérablement augmenté nos connaissances sur le magnétisme stellaire. Une compréhension fine de l'activité stellaire est également essentielle pour modéliser l'environnement planétaire des planètes proches. La plupart des naines M affichent des niveaux d'activité élevés, et ces étoiles dominent la population stellaire dans le voisinage solaire. Pour les naines M, la faible masse stellaire se traduit par une zone habitable rapprochée, où de l'eau liquide stable peut exister à la surface de la planète. Les planètes géantes proches des jeunes Soleils sont également importantes à étudier, car elles reflètent l'évolution précoce des systèmes planétaires et fournissent un aperçu clé des canaux de migration à l'origine des Jupiters chauds. Le suivi photométrique est l'une des méthodes les plus efficaces pour caractériser les exoplanètes en transit et les variations de luminosité induites par l'activité des étoiles hôtes. Nous avons proposé de construire un photomètre de type CubeSat proche infrarouge nommé MARSU. Ce télescope spatial compact est peu coûteux et de programmation flexible. En tant que photomètre spatial infrarouge dédié, d'un diamètre de 8,5 cm, MARSU va détecter les planètes semblables à la Terre en transit dans la zone habitable des naines M, tout en caractérisant l'activité de l'étoile hôte. Il réalisera une surveillance photométrique continue dans le proche infrarouge pour les cibles jusqu'à une magnitude H de ~11, avec une précision meilleure qu'une mmag, sur des périodes continues allant jusqu'à 3 mois. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons étudié l'activité magnétique d'un prototype d'objet à l'âge zéro de la séquence principale : le rotateur rapide V530 Per. Des observations spectropolarimétriques sur deux époques (2006 et 2018) ont été obtenues avec ESPaDOnS, nous permettant de reconstruire la distribution de surface de la luminosité et des champs magnétiques, la rotation différentielle latitudinale et le système de protubérances en utilisant des méthodes tomographiques. La carte de luminosité est dominée par une grande tache sombre près du pôle, accompagnée d'une distribution complexe de régions brillantes et sombres aux latitudes inférieures. La majeure partie de l'énergie du champ magnétique à grande échelle est stockée dans la composante du toroïdale. Les cartes de brillance et de champ magnétique de V530 Per sont cisaillées par une rotation différentielle de type solaire. Le système de protubérances est organisé en anneau à l'emplacement approximatif du rayon de co-rotation et affiche une évolution significative à court terme, sur quelques jours. La deuxième partie de la thèse était une évaluation de faisabilité de la détection d'exoplanètes autour d'étoiles actives avec MARSU. [...]

This thesis is devoted to the study of kinetic models that describe collisionless plasmas subject to an external magnetic field.In a first part, we explore how in electrostatic plasmas subject to a constant external magnetic field certain waves are undamped, independently of the strength of the magnetic field. This phenomenon, known as the Bernstein-Landau paradox, highlights a discontinuity with the theory of unmagnetized plasmas, where the longitudinal space charge waves, which include the electric field, are damped. Usually, we study these physical properties by considering the linearized Vlasov-Poisson system. In this work, we manage to reinterpret the Bernstein-Landau paradox by reformulating this system as a Schrödinger type equation which leads us to consider the magnetized Vlasov-Ampère system. With this reformulation, we explain the Bernstein-Landau paradox with respect to the spectrum of a certain self-adjoint magnetized Vlasov-Ampère operator. Finally, we build semi-Lagrangian schemes to test the eigenfunctions of the magnetized Vlasov-Ampère operator.In a second part, we study certain mathematical properties of the magnetized Vlasov-Poisson system, focusing first on the propagation of velocity of moments for weak solutions. In the case of a constant magnetic field, we use a Eulerian approach in order to control the velocity moments directly. Because of the added magnetic field, we find singularities at multiples of the cyclotron period. In the case of a general magnetic field, we use a Lagrangian method, focusing on the characteristics of the system to obtain a priori estimates that imply propagation of moments. An original feature of this work is that, in both cases, we rely on an induction procedure involving the cyclotron period to prove propagation of velocity moments for all time. Finally, we find new uniqueness conditions for solutions to the magnetized Vlasov-Poisson system that include assumptions on the velocity moments.; Cette thèse est consacrée à l'étude de modèles cinétiques qui décrivent des plasmas sans collisions soumis à un champ magnétique externe.Dans une première partie, nous nous intéressons aux plasmas électrostatiques soumis à un champ magnétique externe constant, où l'on constate que certaines ondes ne sont pas amorties. Ce phénomène, qui ne dépend pas de l'intensité du champ magnétique, est connu sous le nom de paradoxe de Bernstein-Landau, car il met en évidence une discontinuité avec la théorie des plasmas non magnétisés, où les ondes longitudinales de charge d'espace, dont le champ électrique, sont amorties. Habituellement, ces propriétés physiques sont étudiées en considérant le système de Vlasov-Poisson linéarisé. Dans ce travail, nous parvenons à réinterpréter le paradoxe de Bernstein-Landau en reformulant ce système comme une équation de type Schrödinger, ce qui nous amène à considérer le système de Vlasov-Ampère magnétisé. Grâce à cette reformulation, nous expliquons le paradoxe de Bernstein-Landau par rapport au spectre d'un certain opérateur auto-adjoint associé à Vlasov-Ampère magnétisé. Enfin, nous construisons des schémas semi-Lagrangiens pour tester les vecteurs propres de l'opérateur Vlasov-Ampère magnétisé.Dans une deuxième partie, nous étudions certaines propriétés mathématiques du système de Vlasov-Poisson magnétisé, en nous concentrant d'abord sur la propagation des moments en vitesse pour les solutions faibles. Dans le cas d'un champ magnétique constant, nous utilisons une approche eulérienne afin de contrôler directement les moments en vitesse. La présence d'un champ magnétique génère des singularités aux multiples de la période cyclotron. Dans le cas d'un champ magnétique quelconque, nous utilisons une méthode lagrangienne en étudiant cette fois les caractéristiques du système pour obtenir des estimations a priori qui impliquent la propagation des moments. Une contribution originale de ce travail est que, afin de démontrer la propagation de moments pour tout temps dans les deux cas, on utilise un raisonnement par récurrence impliquant la période cyclotron. Enfin, nous mettons en évidence de nouvelles conditions d'unicité pour les solutions du système de Vlasov-Poisson magnétisé avec des hypothèses supplémentaires sur les moments en vitesse.

Neste trabalho apresentamos os resultados da aplicação de duas Unidades de Ensino Potencialmente Significativas (UEPS) para abordar o conceito de Campo Magnético em disciplina de Eletromagnetismo a nível de Física Geral (Ensino Superior) em dois contextos. Empregou-se as UEPS em doze encontros de 100 minutos divididos em sessões de aula expositivo-dialogada em que se abordava o conteúdo de maneira sintética, à qual foi designada carga horária de 40 por cento da aula, e de aula de resolução de problemas em que se punha os alunos a interagirem em atividades de resolução de problemas, à qual se atribuiu 60 por cento da carga horária da aula. Para a análise dos dados, recorreu-se à metodologia da Análise de Conteúdo e se considerou como variáveis inferidas possíveis os modos de conceitualização dos estudantes, estruturas de Invariantes Operatórios utilizados por eles. Usando-se a teoria dos Campos Conceituais para analisar-se os dados, necessitou-se estabelecer uma construção inicial de um Campo Conceitual para o conceito de Campo Magnético, construção esta pautada, a princípio, em parâmetros epistemológicos do conteúdo das Situações. Chegou-se a quatro grandes classes de Situações, das quais duas são discutidas neste trabalho, quais sejam, descrição de interações magnéticas e representação simbólica do Campo Magnético. A partir daí nota-se, no emprego das UEPS, o uso de conhecimentos prévios próximos aos identificados na literatura, a saber, os que possuem ideias de Interação Magnética semelhante à Elétrica e de Campo Magnético como entidade operacional, no caso de Situações para descrever interações magnéticas, e de Campo Magnético como semelhante ao Campo Elétrico, no caso de Situações para representar externamente o Campo Magnético. Ao longo das UEPS evidencia-se um contínuo processo de construção de novas formas de conceitualização mais próximas às científicos, o que parece indicar as UEPS como possíveis Estratégias Didáticas facilitadoras da Aprendizagem Significativa. En este trabajo presentamos los resultados de la aplicación de dos Unidades de Enseñanza Potencialmente Significativas (UEPS) para enseñar el concepto de Campo Magnético en una asignatura de Electromagnetismo en nivel de Física General (nivel universitario) en dos contextos. Las UEPS fueron desarrolladas en doce clases de 100 minutos dividas en sesiones de aula expositiva-dialogada en las cuales se discutía el contenido sintéticamente, a la cual fue designada una carga horaria de 40 por ciento de la clase, y de una sesión de resolución de problemas que involucraba poner los alumnos en interacción social en las actividades de resolución de problemas, a las cuales se atribuyó 60 por ciento de la carga horaria de la clase. Para el análisis de datos, se recurrió a la metodología del Análisis de Contenido y se consideró como variables inferidas los modos de conceptualización de los estudiantes, Invariantes Operatorios que pueden haber sido utilizados por ellos. Utilizándose la teoría de los Campos Conceptuales para analizarse los datos, se necesitó establecer la construcción inicial de un Campo Conceptual para el concepto de Campo Magnético, proceso basado, de principio, en parámetros epistemológicos del contenido de las situaciones que lo compusieron. Se alcanzó cuatro grandes clases de situaciones, de las cuales dos son abordadas en esta investigación, a saber, descripción de interacciones magnéticos y representación simbólica del Campo Magnético. De ahí se nota, en la conducción de las UEPS, la utilización de conocimientos previos próximos a los identificados en la literatura sobre enseñanza de electromagnetismo, o sea, los asociados a las ideas de interacción magnética semejante a la interacción eléctrica, y de Campo Magnético como entidad operacional en el caso de situaciones para describir interacciones magnéticas, y de Campo Magnético como similar al Campo Eléctrico, cuando se trata de situaciones para representar simbólicamente el Campo Magnético. A lo largo de las UEPS se evidencia un continuo proceso de construcción de nuevas formas de conceptualización más cercanas de las científicas, lo que parece indicar las UEPS como posibles estrategias didácticas que pueden proveer condiciones para la ocurrencia de procesos más significativos de aprendizaje. In this work we present the results of the application of two Potentially Meaningful Teaching Units (PMTU) to teach the concept of Magnetic Field in an undergraduate level, Basic physics, electromagnetism discipline. We implemented the PMTU in twelve classes divided in expository-dialogued classes in which we presented the content in a synthetic way, to which we designed 40 percent of the total class time, and in problem-solving activities in which we put students to interact among themselves, to which we attributed 60 percent of the total class time. To analyze data, we borrowed Bardin's Content Analysis procedures and we considered as possible inferred variables students' conceptualization modes, structures of Operatory Invariants possibly used by them. Using the theory of Conceptual Fields to analyze data, it was necessary to establish an initial construction of a Conceptual Field for the concept of Magnetic Field, a construction based upon situations' epistemological parameters. To turn it possible to evaluate Meaningful Learning evidences, we found four broad classes of Situations, from whose two are discussed in this work, namely, Description of Magnetic Interactions and External Symbolic Representation of the Magnetic Field. Based on that we could note, when implementing the PMTU, prior knowledge elements enclosed in possible schemas, nearly similar to the ones identified in literature, that is, the ones conceiving the ideas of identity between Magnetic and Electric Interactions and of Magnetic Field as operational entities, in situations in which it was necessary to Describe Magnetic Interactions, and of Magnetic Fields as similar to the Electric Field, in situations in which it was necessary to Symbolically Represent the Magnetic Field. Throughout the PMTU we evidenced a continuous process of construction of new forms of conceptualization which were closer to the scientific ones, something indicating the PMTU as possible Didactic Strategies to facilitate Meaningful Learning. Dans cet article, nous présentons les résultats de l'application de deux unités d'enseignement potentiellement significatives (UEPS) pour aborder le concept de champ magnétique dans le domaine de l'électromagnétisme au niveau de la physique générale (enseignement supérieur) dans deux contextes. Nous avons utilisé les UEPS dans douze réunions de 100 minutes divisées en sessions qui traitait le contenu de manière synthétique. D'abord, une charge de cours de 40% a été attribuée et en suite un cours de résolution de problèmes a été appliquée, dans lequel les étudiants devaient interagir de façon à résoudre les problèmes proposés dans les 60% restant du cours. Pour l'analyse des données, nous avons utilisé la méthodologie d'analyse de contenu et nous avons considéré comme variables possibles les formes de conceptualisation, structures de Invariants Opératoires utilisés par ils. En utilisant la théorie des Champs Conceptuels pour analyser les données, il était nécessaire d'établir une construction initiale d'un champ conceptuel pour le concept de champ magnétique, construction reposant d'abord sur des paramètres épistémologiques du contenu de situations. Quatre grandes catégories de situations ont été atteintes, dont deux sont décrites dans le présent document, à savoir, description des interactions magnétiques et la représentation symbolique extérieure du champ magnétique. De ce fait, il est noté, dans l'utilisation de l'UEPS, des connaissances antérieures contenues dans des schémas possibles proches de ceux identifiés dans la littérature, à savoir, ceux qui ont des idées d'interaction magnétique similaires à celles des champs électriques et magnétiques en tant qu'entité opérationnelle, dans le cas de situations décrivant les interactions magnétiques, et de champ magnétique comme similaire au champ électrique, dans le cas de situations représentant extérieurement le champ magnétique. À travers les UEPS, il existe un processus continu de construction des nouvelles formes de conceptualisation plus proches des scientifiques, ce qui semble indiquer que les LIF sont des stratégies didactiques possibles qui facilitent l'apprentissage significatif.

In this study, we investigated the effect of the different magnetic field type and intensity on the freezing process of pork samples. The permanent magnetic field (PMF) and the alternating magnetic field (AMF) with the intensity varied from 0.00 mT to 16.00 mT and 0.00 mT to 1.80 mT respectively were applied on the pork samples when they were freezing to -30 °C at the freezing rate of 4 °C/min. Five parameters including the nucleation temperature, freezing temperature, time through -1 °C to -5 °C, phase change time and subcooling time were chosen to evaluate the freezing effects. The results showed that all the freezing parameters except the freezing temperature were significantly different with PMF (p 0.05) with AMF. The freezing temperature and phase change time decreased slightly and the subcooling time was similar to PMF. In addition, the whole freezing time was longer with AMF than PMF which would need more energy. So PMF may be a promising method for the higher food quality and less energy consumption. Take all the factors into consideration, 15.98 mT may be the optimal magnetic field intensity for PMF.

The novel reactor has been designed to perform chemical reactions under the influence of a magnetic field generated by alternating magnetic poles as a function of time. The system was successfully employed to synthesize a series of 1,5-disubstituted-1,2,3-triazolines via the regioselective [3 + 2] cycloaddition reactions between alkyl/aryl azides and nitroolefins catalysed by Zepto (para magnetic ultra-blue carboxy functionalized) microspheres (bead diameter 2.5 μm). All of the reactions went smoothly without any adverse effect on nitro, cyano, thienyl, hydroxy, halogens, and ether functions at 25 ± 2 °C and afforded 82%–99% pure products at a magnetic field of 18.99 mT and an exposure time of 180–240 min. The influence of the magnetic force exerted on the magnetic materials was found to enhance the catalytic activity of microspheres. The catalyst could easily be separated by simple centrifugation, which could be reused for at least 15 runs with no loss in activity.

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a powerful analytical chemistry tool but, unfortunately, it often severely lacks sensitivity. One of the most efficient way to enhance the NMR signal is called dissolution dynamic nuclear polarization (dDNP). Here, a sample mixed with radicals is hyperpolarized in a liquid helium bath of a polarizer, through microwaves irradiation. Then, a hot pressurized solvent is flushed onto the frozen sample to rapidly melt and dissolve it. The dissolved sample is then transferred to an acquisition device, whether an NMR spectrometer or an MRI scanner. High enhancements of 4 or 5 orders of magnitude can be reached this way. Though a powerful method, dDNP still suffers from several instrumental drawbacks. First, the transfer speed of the hyperpolarized sample is often in the order of 10 s, which is not enough for observing fast relaxing nuclear spins. Second, important quantities of expensive liquid helium are required to cool down the sample, and most of the polarizers do not recycle helium. Finally, the relaxations in the liquid-state are in the order of a few seconds up to minutes at most, which implies that polarizers must be placed close to the acquisition device. This thesis aims at proposing instrumental solutions to the problems above. A fast liquid-driven transfer system is presented, with transfers as fast as 5 m.s-1. A new type of helium-recycling polarizer is described, along with a dedicated home-built dDNP probe. Finally, a system used to maintain and transport hyperpolarization over several hours is described; La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode de pointe en chimie analytique mais qui, malheureusement, manque souvent cruellement de sensibilité. L’une des techniques les plus performantes pour augmenter le signal RMN est appelée la polarisation dynamique nucléaire avec dissolution (PDNd). Des micro-ondes sont appliquées sur un échantillon mélangé avec des radicaux et placé dans le bain d’hélium liquide d’un polariseur, afin d’atteindre un état d’hyperpolarisation. L’échantillon gelé est ensuite dissout rapidement dans un solvant surchauffé et transféré vers un spectromètre RMN ou un IRM. Des augmentations de signal de 4 à 5 ordres de grandeur peuvent ainsi être obtenus. Malgré ses avantages, la PDNd possède plusieurs limitations instrumentales. Tout d’abord, les transferts d’échantillons hyperpolarisés se font souvent en une dizaine de secondes, ce qui est trop lent pour observer des spins nucléaires à relaxation rapide. Ensuite, de grandes quantités couteuses d’hélium liquide sont nécessaires pour refroidir l’échantillon, et l’hélium n’est souvent pas recyclé. Enfin, les temps de relaxation des noyaux à l’état liquide varient en moyenne entre quelques secondes et quelques minutes, ce qui nécessite une courte distance entre le polariseur et l’instrument d’acquisition. Le but de cette thèse est de tenter de répondre à ces problématiques. Un système de transfert rapide est ainsi proposé, avec des transferts en 5 m.s-1. Un nouveau type de polariseur recyclant l’hélium est décrit ainsi que sa sonde dédiée. Finalement, un système permettant de maintenir et transporter l’hyperpolarisation sur plusieurs heures est décrit

The magnetic confinement fusion in Tokamak-like reactors and the spatial field with satellites payloads share the use of High-Frequency (HF) and high power (kilowatt to megawatt) vacuum systems. The transmissible power of such systems %max is limited by the multipactor effect, which appears when the electrons in the system enter in resonance with the HF signal. If their energy is high enough, other electrons can be extracted from the walls and the electrons population can grow exponentially. The created electron cloud can disturb the transmitted signal, outgas the surfaces or provoke an electric arc.Even if the multipactor is well understood in the simplest configurations (e.g. : metallic rectangular waveguides), its prediction is more complex in advanced scenarios, in particular when dielectrics and/or magnetic fields are present. These two parameters influence the electrons trajectories as well as the electron emission phenomenon at the origin of the electron population augmentation. The goal of this PhD is to model and understand the multipactor apparition in these complex configurations. In this framework, I developed the model POTOMAC (Physical simulatiOn TOol for Multipactor in AdvancedConfigurations). Thanks to POTOMAC, I observed the tremendous effect of the electron emission model on the multipactor apparition, especially when dielectrics are present. In order to model realistic geometries, I proposed an extension of Dionne model to three dimensions, which is the only electron emission model that can take into account the influence of the chargedeposited on the surface of dielectrics.Finally, I showed that the accumulation of charges on the surface of such materials had a tremendous effect on the multipactor apparition, by advantaging or disadvantaging some multipactor modes. This influence was partially checked experimentally, in collaboration with an industrial partner.; La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique dans les réacteurs de type Tokamak et le spatial avec les charges utiles des satellites ont en commun d’utiliser des systèmes haute-fréquence (HF) de forte puissance (du kilowatt au mégawatt) et fonctionnant sous vide. La puissance transmissible par de tels systèmes %max est limitée par l’effet multipactor, qui apparaît quand les électrons présents dans le système entrent en résonance avec le signal HF. Si leur énergie est suffisante, d’autres électrons peuvent être extraits des parois et la population électronique peut croitre de manière exponentielle.Ce nuage électronique peut perturber le signal transmis, dégrader des surfaces voire provoquer un arc électrique.Bien maîtrisée dans les configurations les plus simples (e.g. : guide d’onde rectangulaire métallique), la prévision du phénomène multipactor est plus difficile dans les scénarios complexes, notamment en présence de champs magnétiques et/ou de matériaux de type diélectriques. Ces deux paramètres influencent aussi bien les trajectoires des électrons que les phénomènes d’émission secondaire à l’origine de l’augmentation de la population électronique. L’objectif de la thèse est de modéliser et comprendre l’apparition du multipactor dans ces configurations complexes. Dans ce cadre, j’ai développé le modèle POTOMAC (Physical simulatiOn TOol for Multipactor in Advanced Configurations).Grâce à POTOMAC, j’ai tout d’abord pu montrer que la précision du modèle d’émission électronique utilisé avait une importance capitale, et ce d’autant plus que la configuration étudiée utilise des matériaux diélectriques. Pour modéliser des géométries réalistes, j’ai proposé une extension en trois dimensions du modèle de Dionne, qui est le seul modèle d’émission électronique capable de prendre en compte la charge déposée dans les diélectriques.Enfin, j’ai montré que l’accumulation de charges électriques à la surface des diélectriques avait un impact considérable sur l’apparition du multipactor, en favorisant ou défavorisant certains modes multipactor. Cette influence a été partiellement vérifiée de manière expérimentale, en collaboration avec un partenaire industriel.

The impact of a DC electric field and a magnetic field on the stabilization of a CH4 single jet diffusion laminar flame and CH4/air coaxial jets, hooked or lifted with flickering instability, as well as on the modification of soot particle production is studied. For the flame under magnetic field generated by an electromagnet, the coaxial burner is placed inside the magnet at two positions corresponding to a positive and negative magnetic gradient. Under this field, the attraction of paramagnetic oxygen at the flame front leads to a change in the flicker frequency, the lift height, and the visible brightness of the flame. This change in brightness correlates with the change in soot production in the flame through the change in stoichiometry, local temperature and residence time. For the CH4 single jet flame, an electric field generated between the burner and a grid (electrode), placed at different distances from the burner, showed a reduction of the average flame length, a decrease of the CH* luminescence and a disappearance of the flickering instability when the field intensity increases. A strong flame instability reappears if a critical value of the electric field is exceeded. The evolution of the current value according to the applied voltage is correlated with the flame behavior. The electric field applied to the partially premixed CH4/air flame, allowed to attach the initially lifted flame to the burner and to decrease theoscillation frequency (flickering). The displacement of the ions present in the flame under electric field, induces a dynamic effect called ionic wind as well as an ionization, thus modifying the behavior of the flame. Finally, we have conducted measurements of soot by extinction/diffusion in a methane/acetylene flame under electric field. The application of an electric field of different intensities allowed to show a reduction of the volume fraction and a modification of the size distribution of soot. This decrease is coupled with the decrease in the visible luminosity of the flame observed when the field is applied.; L’impact d’un champ électrique continu et d’un champ magnétique sur la stabilisation d’une flamme laminaire de diffusion de jet simple de CH4 et de jets coaxiaux de CH4/air, accroché ou liftée avec instabilité de flickering, ainsi que sur la modification de la production de particules de suie est étudié. Pour la flamme sous champ magnétique généré par un électroaimant, le brûleur coaxial est placé à l'intérieur de l'aimant à deux positions correspondant à un gradient magnétique positif et négatif. Sous ce champ, l'attraction de l'oxygène paramagnétique au niveau du front de flamme conduit à modifier la fréquence de scintillement, la hauteur de portance, ainsi que la luminosité visible de la flamme. Ce changement de luminosité est corrélé à la modification de la production de suie dans la flamme par la modification de la stoechiométrie, la température locale et le temps de séjour. Pour la flamme de jet simple de CH4, un champ électrique généré entre le brûleur et une grille (électrode), placée à différentes distances du brûleur, a permis de montrer une réduction de la longueur moyenne de flamme, une diminution de la luminescence de CH* et une disparition de l’instabilité de flickering quand l’intensité du champ augmente. Une forte instabilité de la flamme réapparait si on dépasse une valeur critique du champ électrique. L’évolution de la valeur du courant suivant la tension appliquée est corrélée avec le comportement de la flamme. Le champ électrique appliqué à la flamme partiellement prémélangée de CH4/air, a permis de rattacher la flamme initialement liftée au brûleur et à diminuer lafréquence d’oscillation (flickering). Le déplacement des ions présents dans la flamme sous champ électrique, induit un effet dynamique appelé vent ionique ainsi qu’une ionisation, modifiant ainsi le comportement de la flamme. Enfin, nous avons conduit des mesures de suies par extinction/diffusion dans une flamme méthane/acétylène sous champ électrique. L’application d’un champ électrique de différentes intensités a permis de montrer une réduction de la fraction volumique et une modification de la distribution de tailles de suies. Cette diminution est couplée avec la diminution de la luminosité dans le visible de la flamme observée lorsqu’on applique le champ.

Lors de l’application d’un champ magnétique autour d’un contact d’un couple ferromagnétique, ce dernier modifie largement le comportement du frottement et de l’usure du contact. Les tests de frottement sont réalisés dans deux environnements gazeux différents: à l'air ambiant et sous vide à 5.10-5 Pa. A l’air ambiant, l’effet du champ magnétique sur le taux d’usure est significatif, remarquant que l’application d’un champ magnétique suffisant (H = 10 kA/m) diminue le taux d’usure de 6 à 10 fois. L’effet du champ magnétique sur la tribologie du contact à l’air libre reste valable jusqu’à une intensité limite H = 40 kA/m. Au-delà de cette limite, d’autres effets se manifestent: augmentation de l'attraction magnétique et de la température de contact due aux courants de Foucault. De plus, les particules d’usure non oxydées, résultant de l’usure abrasive au début du glissement, restent piégées à cause de la forte attraction magnétique. Le processus d'usure sous vide est complètement différent. Notons ici que l’usure est adhésive et sévère. L’adhésion provoque un transfert de particule entre le pion et le disque. En revanche, sous vide le champ magnétique ne génère pas de couche d’oxyde, car le taux d’oxygène dans cet environnement est négligeable.

The spectacular phenomena that are solar eruptions can impact human infrastructures. As we become more and more sensitive to solar activity because of the technological evolution of our society, solar forecasting is a growing economic stake. My thesis is part of the HeliSol research project of the Agence Nationale de la Rercherche. The project aims to establish deterministic criteria allowing reliable predictions of solar eruptions. My thesis focuses on a promising quantity related to the geometry of the magnetic field: magnetic helicity. Despite some previous theoretical, analytical, and observational results, placing it at the core of various processes related to solar activity, magnetic helicity still remains largely unfathomed. More precisely, my work is focused on the study of the properties of a decomposition of magnetic helicity: the non-potential magnetic helicity (linked to the magnetic field carrying electric currents) and the volume-threading magnetic helicity (containing the rest of the information).First, I focused on the link between the eruptivity of a magnetic system and its helicities. Using magnetohydrodynamic (MHD) numerical simulations, I showed that the ratio between non-potential helicity and total helicity has a threshold beyond which an eruption systematically occurrs. Magnetic data obtained from observations allowed me to confirm that the helicity ratio is a significant marker of the eruptivity of different active regions. These analyses are based on the production of 3D reconstructions of the coronal magnetic field generated from observational measurements of the 2D distribution of the magnetic field at the level of the Sun’s "surface". Nevertheless, as I could demonstrate, the ratio cannot be correctly determined when the reconstructed magnetic field does not respect the solenoidal property.I used analytical and numerical approaches to study the properties of the helicities that constitutes the above-mentioned ratio. I proposed a theoretical formalism to quantify the non-additivity of magnetic helicity. I also derived for the first time an analytical expression for the temporal variation of non-potential and volume-threading helicities. This allowed me to show that, unlike total helicity, non-potential and volume-threading helicities are not conserved. Their evolution is dictated not only by fluxes across boundaries, but also by a transfer from one form of helicity to another. With the help of numerical simulations, I also demonstrated that this helicity transfer has a major role in the dynamics of magnetic helicities during solar eruptions.In conclusion, the highlighted magnetic helicity ratio could be used to develop new prediction tools for solar eruptions. More generally, my work provides a better understanding of the evolution of the magnetic configurations responsible for the active events of the solar corona. These researches could also serve as the basis for future theoretical studies on the link between magnetic helicities and the trigger of solar eruptions.; Les phénomènes spectaculaires que sont les éruptions solaires peuvent impacter les infrastructures humaines. L’évolution technologique de notre société nous rend de plus en plus sensibles à l’activité solaire, ainsi sa prévision devient un enjeu économique croissant. Ma thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de l’Agence Nationale de la Recherche, HeliSol, visant à établir des critères déterministes permettant des prédictions fiables des éruptions solaires. Je me suis intéressé durant ma thèse à une quantité prometteuse liée à la géométrie du champ magnétique: l’hélicité magnétique. Malgré quelques précédents résultats théoriques, analytiques et observationnels, la plaçant au cœur de divers processus liés à l’activité solaire, l’hélicité magnétique reste encore aujourd’hui mal comprise. Mon travail s’est porté en particulier sur l’étude des propriétés d’une décomposition de l’hélicité magnétique: l’hélicité magnétique non potentielle (liée au champ magnétique porteur de courants électriques) et l’hélicité mêlée (contenant le reste de l’information).Tout d’abord, je me suis concentré sur le lien entre l’éruptivité d’un système magnétique et ses hélicités. Via des simulations numériques magnétohydrodynamiques (MHD), j’ai montré que le ratio entre l’hélicité non potentielle et l’hélicité totale possède une valeur seuil au-delà de laquelle une instabilité à l’origine de l’éruption se déclenche systématiquement. Les données magnétiques, issues d’observations, m’ont permis de confirmer le ratio d’hélicité comme marqueur significatif de l’éruptivité de différentes régions actives. Ces analyses reposent sur la production de reconstructions 3D du champ magnétique coronale générées à partir des mesures observationnelles de la distribution 2D du champ magnétique au niveau de la "surface" du Soleil. Comme j’ai pu le démontrer néanmoins, le ratio ne peut être correctement déterminé si le champ magnétique reconstruit ne respecte pas la propriété solénoïdale.J’ai également utilisé des approches analytiques et numériques pour étudier les propriétés des hélicités qui composent le ratio susmentionné. J’ai ainsi proposé un formalisme théorique pour quantifier la non additivité de l’hélicité magnétique. J’ai aussi introduit pour la première fois une expression analytique pour la variation temporelle des hélicités non potentielle et mêlée. Cela m’a permis de montrer que, contrairement à l’hélicité totale, les hélicités non potentielle et mêlée ne sont pas des grandeurs conservées. Leurs évolutions sont dictées d’une part par les flux traversant les frontières, mais également par un transfert d’une forme d’hélicité à l’autre. J’ai de plus démontré, par application des simulations numériques, que ce transfert d’hélicité a un rôle majeur dans la dynamique des hélicités magnétiques durant une éruption solaire.En conclusion, le ratio d’hélicité magnétique mis en évidence pourrait participer au développement de nouveaux outils destinés à la prédiction des éruptions solaires. Plus généralement, mes travaux permettent de mieux appréhender l’évolution des configurations magnétiques responsables des événements actifs de la couronne solaire. Ces recherches peuvent en outre être la base de futures études théoriques sur le lien entre hélicités magnétiques et déclenchement d’éruptions.

The direction and strength of geomagnetic field had been evolving continuously in the past. One of the few means of obtaining continuous reconstructions of this evolution relies on sedimentary records. The latter are therefore important for understanding the geodynamo and the underlying evolution of the Earth’s interior, as well as providing an important dating tool through magnetostratigraphy. Sedimentary records of geomagnetic field variations rely on two main recording mechanisms: the alignment of magnetic particles, which underlies continuous records of relative paleointensity (RPI), and the archivation of cosmogenic isotopes, in particular ¹⁰Be, whose production by cosmic ray spallation is modulated by the screening action of the dipole component of the Earth’s field. Previous studies reported similarities as well as significant differences between RPI and cosmogenic ¹⁰Be (expressed as ¹⁰Be/⁹Be) records. While a perfect match of the two records is not expected due to environmental contaminations present in both records, the similar changes during the periods characterised by significant decrease of the dipole moment are suggested owning to global field strength control of ¹⁰Be production and attenuation of non-dipolar features in RPI records measured within the sediments with the low sedimentation rates (, La direction et l’intensité du champ géomagnétique ont continuellement évolué dans le passé. L’un des rares moyens d’obtenir des reconstitutions continues de cette évolution repose sur les enregistrements sédimentaires. Ces dernières sont donc importants pour comprendre la géodynamo et l’évolution sous-jacente de l’intérieur de la Terre, ainsi que pour fournir un outil de datation important grâce à la magnétostratigraphie. Les enregistrements sédimentaires des variations du champ géomagnétique reposent sur deux mécanismes d’enregistrement principaux: l’alignement des particules magnétiques, qui sous-tend les enregistrements continus de la paléointensité relative (RPI), et l’archivage des isotopes cosmogéniques, en particulier le ¹⁰Be. Bien que l’on ne s’attende pas à une concordance parfaite des deux enregistrements, les changements similaires au cours des périodes caractérisées par une diminution significative du moment dipolaire sont suggérés grâce au contrôle global du champ de production de ¹⁰Be et à l’atténuation des caractéristiques non dipolaires dans les enregistrements RPI mesurés dans les sédiments avec les faibles taux de sédimentation. L’objectif du présent travail était d’améliorer nos connaissances actuelles sur les mécanismes d’enregistrement dans le cas des sédiments marins, en particulier :1. Les facteurs environnementaux responsables du transport et du retrait du 10Be de lacolonne d’eau et l’effet de la distribution des sources sur l’approvisionnement en ⁹Be.2. L’effet des processus post-dépôt, en particulier celui du mélange des sédiments, sur le10Be et les enregistrements RPI.3. Le mécanisme par lequel une magnétisation post-déposition est acquise près du fond dela couche mélangée en surface.4. Les causes d’un décalage systématique entre les enregistrements ¹⁰Be et RPI et lesfacteurs environnementaux affectant le RPI.Afin de démêler l’apport environnemental et magnétique dans les couches sédimentaires de ¹⁰Be/⁹Be, nous avons analysé cinq enregistrements, couvrant la dernière inversion géomagnétique. Les différentes caractéristiques d’enregistrement sur les cinq sites ont été décrites en termes de modulations climatiques additives et multiplicatives, qui dépendent essentiellement de la profondeur de l’eau, de la localisation le long des grands systèmes de courants océaniques, et de la distance à la côte. Les enregistrements RPI sont fortement affectés par les processus post-dépôt, en particulier le mélange des sédiments, qui est entièrement responsable de l’aimantation rémanente naturelle (NRM) acquise par les sédiments bioturbés, et son retard par rapport aux enregistrements ¹⁰Be. Un nouveau modèle de bioturbation a été développé pour expliquer la NRM sédimentaire dans les sédiments bioturbés. Ce modèle inclut un phénomène récemment découvert de ségrégation de taille dans la couche mélangée de surface (SML), analogue à l’effet bien connu de la noix du Brésil (Brazilian-nut). La ségrégation de taille est responsable de la plus longue permanence des grandes particules dans la SML, jusqu’au cas limite des nodules de ferromanganèse. Nous avons démontré l’effet de noix du Brésil sur les particules de microtektite, qui consiste en une ségrégation des fragments en fonction de leur taille. Le modèle de ségrégation par taille permet d’estimer la profondeur réelle du mélange sédimentaire dû à la bioturbation, une fois prise en compte la composante supplémentaire de vitesse liée à la migration des plus grosses particules vers le haut de la colonne sédimentaire.Les résultats de cette recherche ont une importance significative non seulement pour la caractérisation de la réponse au mélange des sédiments et la reconstruction des enregistrements affectés des processus de bioturbation (par exemple ¹⁰Be /⁹Be), mais aussi pour l’évaluation de la validité des modèles d’âge qui sont limités par les âges des traceurs conservateurs.

Enseignement Cours – L’époque de la réionisation de l’Univers Introduction L’Univers commence dans une gigantesque explosion, le Big Bang. La densité d’énergie et la température sont énormes, et dans l’expansion rapide qui suit, l’énergie se dilue et la température décroît. L’Univers est d’abord un plasma de particules chargées, essentiellement électrons et protons. 380 000 ans plus tard, la température est de 3 000 Kelvin, et le gaz se recombine en atome d’hydrogène. Les photons ne sont alor...