Conductibilité électrique du verre

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Conductibilité électrique du verre

Bui Dinh-Vuong, R. Guizonnier

To cite this version:

LE

.JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

PHYSIQUE

APPI.IQUÉE

Tome 24 SUPPLÉMENT Au No 3 MARS 1963

CONDUCTIBILITÉ

ÉLECTRIQUE

DU VERRE

BUI DINH-VUONG et R. GUIZONNIER

Laboratoire

_{d’Électrotechnique}

de la Faculté des Sciences de Bordeaux.

Résumé. 2014

Application

d’une tension continue ; étude du courant en fonction, du _temps d’application de la tension, de la tension appliquée ; répartition des _potentiels. Les courbes

obte-nues _rappellent celles _qu’on obtient dans l’étude des _liquides isolants et _{s’interprètent} de _façon

analogue. Abstract. 2014

Application of a continuous _{voltage ; study} of the current _according to the time of _application of the _{voltage applied ;} distribution of the _potentials. The curves obtained are

similar to the curves we obtained in the _study of _{insulating liquids} and are _explained in the

same manner.

Nous avons

jusqu’ici

étudié la conductibilité

électrique

des couches

_métalliques

minces

dépo-sées,

par

évaporation

thermique

sous

vide,

sur des lames de verre. Il nous a _{paru intéressant}

d’étudier,

en

_elle-même,

la conductibilité du verre.

1. Obtention d’un mileu

électrique

bien défini.

- Le

verre est

_{toujours plus}

ou moins propre, sa surface

_plus

ou moins

_humide,

_et,

sans

_précaution,

il constitue un milieu

_électrique

mal

_{défini, n’ayant}

pas, en

_particulier,

une résistivité constante dans les mêmes conditions.

Nous avons utilisé des lames de verre de dimen-sions 75 mm X 25 mm, servant habituellement de

porte-objets

en

microscopie.

Les

électrodes,

dis-tantes de 30 mm, étaient constituées par des

dépôts

d’argent

effectués sous vide.

Nous avons tout d’abord

_essayé

de

_nettoyer

ces lames de verre seulement par voie

chimique

(bain

d’acide

_{nitrique, rinçage}

abondant à l’eau

_distillée,

puis

à l’alcool

_{absolu, séchage}

en

étuve).

Mais les résultats obtenus sur la même lame n’étaient pas

toujours reproductibles.

Nous avons alors

procédé

à un

_nettoyage

_par effluve

_{cathodique, après}

un

nettoyage

chimique.

Les lames ainsi traitées don-naient des résultats

_{reproductibles}

aux erreurs

d’expérience près.

2. Nature de la conductibilité. - LIEN ENTRE LE

COURANT ET LA TENSION

_APPLIQUÉE.

- Si l’on

considère les valeurs initiales du

courant,

c’est-à

dire celles _que l’on mesure dès

l’application

de la

tension,

on constate alors _que la loi d’Ohm

s’ap-plique.

Nous avons

_opéré

avec des tensions allant

jusqu’à

1 000

_volts,

et à des

_{températures,}

allant de la

_température

ordinaire à 60°C.

Mais si l’on maintient la tension

_constamment,

on constate _que le courant diminue à mesure _que

croit le

_temps

_{d’application}

de la

_{tension, passant}

de la valeur initiale

_{io à}

une valeur finale if. Par

exemple,

à la

_température

_ordinaire,

la tension

appliquée

étant 800

_volts,

le courant diminue envi-ron du

_{1 /6}

de sa valeur

_primitive

et

_garde

prati-quement

cette dernière valeur.

Ce

_phénomène

_est

bien connu en

général

dans l’étude des isolants

solides

ou

liquides [1].

Le

_courant,

de l’ordre de 10-1°

_ampère,

était

mesuré par une méthode de mesure de très faibles

courants mise au

point

au laboratoire

[2].

RÉPARTITION DES POTENTIELS. - Méthode

expé-rimentale. - Il est

toujours

intéressant

_{d’envisager}

comment se

_{répartissent}

les

_potentiels

entre les

électrodes. La difficulté

_provient

du fait _que les sondes sont

_longues

à

_prendre

le

_potentiel

du

_point

où

elles

se

_trouvent,

et

_pendant

le

_temps

nécessaire

à cette

_équilibre,

l’électromètre

_perd.

°

Nous avons utilisé une méthode

simple,

égale-ment mise au

point

au laboratoire

[3],

méthode

qui,

en

_définitive,

consiste à

_charger

_{par la}

_sonde

au

potentiel

V un condensateur sans

_fuite,

et à

décharger

ce condensateur dans l’électromètre.

2 A

Les _{sondes étaient réalisées par des fils de cuivre}

très

_fins,

fixés sur la surface du _{verre, à} intervalle

réguliers

entre les

_électrodes,

à l’aide d’une

pein-ture

_d’argent

_qui,

en

_séchant,

assurait une

_parfaite

conduction.

Résultats : 1. Cas oia une électrode est

à :1:

_ho,

l’autre étant au sol. - La

figure

1 montre les

ré-FIG. 1. -

Répartition des _{potentiels :}

cas où une électrode est à + Vo, l’autre étant au sol.

FIG. 1a. -

Répartition des _{potentiels :} coïncidence des quatres courbes de la _figure 1 _après réduction des

ordonnées.

sultats obtenus pour diverses tensions

appliquées,

l’une des électrodes étant

_portée

à -E-

Vo,

l’autre

mise au sol.

FIG. 1b. - _Répartition des _{potentiels ;} courbes log V = f (h).

La

_figure

2 concerne le cas où une électrode était

à -

Vo,

l’autre étant au sol.

FIG. 2. -

Répartition des _{potentiels :}

cas où une électrode est à -

Vo, l’autre étant au sol.

Dans chacune des

_figures,

on

_peut

_{passer d’une} courbe à l’autre en

_multipliant

les ordonnées de l’une par un facteur constant facteur

_qui

se révèle

être le

_rapport

des tensions

_{Vo (fig. la).}

Si nous

_portons

log

V en

ordonnées ;

h en

abscisses,

nous obtenons une droite

(fig. 1b) ;

log

V == A - Kh.

Nous pensons alors à la relation

L’étude des

_liquides

isolants humides

_[4]

a con-duit à une loi de conductibilité

identique,

_quand

l’écartement entre électrodes est de

_plusieurs

centi-mètres.

Nous pouvons alors

appliquer

la loi de

Poisson-Laplace

pour déduire le

signe

et le

degré

de

concen-tration des

_charges

entre électrodes. Nous

appli-quons pour cela la

règle suivante,

très

commode,

l’origine,

la courbe

_apparaît

convexe, il y

corres-pond,

dans le

_milieu,

des

_charges

de

_signes

con-traires à celui de l’électrode. »

Nous pouvons donc conclure de l’examen des courbes ici obtenues que si une électrode est

à:1:

_Vo

l’autre étant au

sol,

il _y

_correspond,

entre

élec-trodes,

des

_{charges respectivement}

_négatives

et

positives.

La concentration des

_charges,

intense du côté de l’électrode

_qui

_{n’est pas} au

_sol,

diminue

progressivement jusqu’à

l’électrode au sol

_(courbes

à l’allure

_{exponentielle,}

voir

_liquides

isolants

_[4]).

2. Cas où une électrode est à +

_{V o,}

l’autre à

vol

- Une telle étude s’étant révélée très

inté-ressante dans le cas des

_{liquides isolants,}

nous l’avons

_reprise

dans le cas du verre. Ce

_qui

nous a conduit à la

_figure

3 : la courbe est formée de deux branches

_{d’exponentielles,}

l’une allant de l’électrode

_{à +}

_Vo

_jusqu’au

milieu de

_l’espace

entre électrodes

_(point

au

potentiel

zéro),

l’autre de

l’électrode

à -

V 0 jusqu’au

point

à

_potentiel

zéro.

FIG. 3. -

Répartition

des

potentiels :

cas où une électrode est à -E- Vo, l’autre à -

Vo.

Les

_liquides

isolants humides ont conduit au même

_{résultat, quand}

les électrodes sont distantes

de

_plusieurs

centimètres.

3. Utilisation d’une seule électrode. - Cette

expérience

curieuse nous a été

_{suggérée également}

par l’étude

déjà

mentionnée sur les

_liquides

isolants. La lame de verre n’était dotée _que d’une seule électrode.

_{L’expérience}

a conduit alors à la

figure

4 :

a)

Une

_première

série de mesures effectuées

rapi-dement tout de suite

_après

_{l’application}

de la

ten-sion

_Vo

donnait la courbe

_(a),

_analogues

à celles

obtenues

_{précédemment}

avec deux électrodes.

b)

Lorsque

nous avons maintenu la tension

_Vo

pendant

un

_temps

suffisamment

_long,

nous avons obtenu la courbe

_(b).

FIG. 4. -

Répartition des _{potentiels :}

utilisation d’une seule électrode.

Cette

_répartition

est

_comparable

à celle

_présentée

par les

liquides

isolants dans le cas où une seule électrode était utilisée

_[4],

et

_lorsqu’on

_explorait

les

_potentiels

entre électrodes

_{à :1:}

_Vo

et la

_paroi

de verre du

_récipient.

Le

_gonflement

caractéristique

de la courbe à

_l’opposé

de l’électrode montre bien une accumulation de

charges

de même

signe

_que

l’électrode, repoussées

par cette

dernière,

et,

ne

pouvant

s’écouler au

_sol,

se concentrant à

_l’opposé

de l’électrode.

CONCLUSION. INTERPRÉTATION. -

Puisque

nous

trouvons des résultats

_comparables

à ceux

auxquels

a conduit l’étude de la conductibilité des

liquides isolants,

nous allons

interpréter

les

phéno-mènes de la même

_façon

_qu’en

cette étude : 1. Seule une électrode

_qui

n’est pas au sol a une action

_{électrostatique}

sur les

_particules

conduc-trices ;

une électrode au sol ne

_peut

_que collecter les

_particules

_renvoyées

_par l’autre électrode.

2. Au

_voisinage

de l’électrode à

_Vo,

les

_particules

de

_{signe opposé}

à celui de l’électrode

_qui

_{n’est pas} au

_sol,

_{attirées par} cette

_dernière,

sont constam-ment renouvelées _par celles

_qui

viennent

_,du’

verre

entre électrodes. Les

_particules

de même

_signe,

repoussées,

peuvent

être difficilement renouvelées. D’où excès de

_charges

de même

_signe

dans le cas d’une seule électrode. Cet excès s’atténue de

_plus

en

_plus

à mesure

_qu’on

_s’éloigne

de

l’éleçtrode

à

_Vo

3.

_Origine

de la conductibilité. -

DESSICA-TION. - La

4A

porté

en ordonnées

_{log io, io}

étant le courant

initial mesuré dès

_{l’application}

de la tension

_Vo,

en abscisses les valeurs de la

_{température.}

FIG. 5. -

Effet de la dessication.

La courbe

₍₁₎

concerne une lame de _verre, étu-diée tout de suite

_après

sa

_préparation

en milieu desséché _par du

_P205,

_{pour éviter la formation} d’humidité sur la surface du verre.

La même lame de _verre,

_portée

à 135°C

_pendant

une

_quinzaine

_{de jours,}

et étudiée dans les mêmes

conditions que

précédemment,

nous a donné la courbe

_{(2) :}

nous _{voyons que la lame ainsi traitée} conduit

_moins,

et _{que la courbe}

₍₂₎

ne

_présente

plus

de remontée _{pour les}

_{températures}

inférieures à 4°C.

MESURE DE LA TENSION RÉSIDUELLE. -

L’ana-logie

des résultats trouvés en l’étude des

liquides

isolants humides et ceux donnés par nos

expériences

sur le verre nous a incités à

_reprendre,

dans le cas du verre

_qui

nous intéresse ces mesures

déjà

faites sur les

_liquides

isolants.

Fixe. 6. - Mesure de la tension résiduelle v.

La méthode de mesure est

_comparable

à celle utilisée pour l’étude de la

répartition

des

_potentiels

déjà

mentionnée.

Si nous

_portons

les valeurs v de la tension rési-duelle en

ordonnées,

et en abscisses le

_{temps t}

exprimé

en

minutes,

nous obtenons la courbe

repré-sentée dans la

_figure

6. Les

_liquides

isolants ont

donné des courbes de même forme.

La

_figure

7

_représente

la courbe v =

j( V 0),

v étant la tension résiduelle mesurée et

_Vo

la

ten-sion

_appliquée.

La limite vers

_laquelle

tend v

_quand

Vo

est

_supérieure

à 900 volts est de l’ordre de

170 volts. Les

_liquides

isolants ont donné

_[5]

une

tension limitez de l’ordre de 144 volts. Les

résul-tats obtenus sont donc du même ordre. Cette valeur de 144

_volts,

commune à tous les

liquides

isolants a été attribuée à une cause de

conductibi-lité commune à tous les

_liquides

isolants

c’est-à-dire à l’eau.

INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE. -

_Lorsque

nous

_portons

en ordonnées

_log

_{io, io}

étant le courant

initial,

et en abscisses

1 /?B

T

_{représentant}

la

tempé-rature

_absolue,

nous obtenons pour diverses valeurs

de la tension

_{appliquée V 0’}

un réseau de droites

toutes

_parallèles

entre

_elles,

et de

_pente

_négatives

(fig.

8) :

Appliquons

au verre la loi de variation de la

résistance en fonction de la

_température

de la forme R = A e+W/kt

déjà

utilisée dans le cas des

liquides

isolants

_{(6) :}

nous trouvons alors une valeur W de l’ordre de

_0,50

électron-volt. L’étude des

_liquides

isolants conduisait à une valeur de W de l’ordre de

0,41

électron-volt

_[6]

_{ainsi que l’étude} de l’eau désionisée

_[7],

_quand

le

_champ

_moyen

F’IG. 8. - Influence de la

température.

CONCLUSION. - Les

expériences

faites dans le cas

du verre

_ayant

donné des résultats très voisins de ceux obtenus en l’étude des

liquides

isolants

humides,

nous attribuons

_donc,

dans le cas du

verre, dans les conditions de nos

_{expériences,}

comme dans le cas des

_liquides

_isolants,

la respon-sabilité de la

_{conductibilité,}

à l’eau incluse dans ce

matériau. ,

Les valeurs

_plus

élevées des résultats concernant

le verre

_{pourraient s’interpréter}

_{par le fait que}

l’eau se meut ici dans un milieu

_solide,

donc beau-coup moins librement que

quand

elle évoluait dans un milieu

_liquide.

Il est à _{remarquer que le}

_rapport

de la tension résiduelle dans les

_liquides

isolants 144 volts à celle du verre 170 volts est très voisine de celui des

éner-gies W,

ces

_rapports

étant

_{respectivement 0,82}

et

0,85.

La

_{température,}

vers- 4

_OC,

vers

_laquelle

s’accomplit

le

_changement

des courbures des courbes de la

_figure

5 est aussi une _{preuve du rôle}

prépondérant

de l’eau

_puisque,

à cette

_{température,}

l’eau manifeste un

_changement

de

_propriétés

phy-siques remarquable.

Manuscrit reçu le 25 _juin 1962.

BIBLIOGRAPHIE

[1] GUIZONNIER _(R.), Rev. Gén. Elect., 1956, 65, 358. [2] GUIZONNIER _(R.), Rev. Gén. _{Elect., 1953, 62, 247} à 255. [3] GUIZONNIER _(R.), Rev. Gén. Elect., 1956, 65, 373.

[4] GUIZONNIER _(R.) et MOUCLIER _(Mlle), J. _Physique Rad.,

1962, 23, 155 A.

[5] GUIZONNIER _(R.) et AGUIRE _(M.), C. R. Acad. Sc. 1962,

255, 294.