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Sur une propriété remarquable de la colonne positive de l’arc au mercure. Relais à arc de grande puissance
(Suite)
L. Dunoyer, P. Toulon
To cite this version:
L. Dunoyer, P. Toulon. Sur une propriété remarquable de la colonne positive de l’arc au mercure.
Relais à arc de grande puissance (Suite). J. Phys. Radium, 1924, 5 (10), pp.289-303. �10.1051/jphys- rad:01924005010028900�. �jpa-00205161�
LE JOURNAL DE
PHYSIQUE
ET
LE RADIUM ,
°
SUR UNE PROPRIÉTÉ REMARQUABLE DE LA COLONNE POSITIVE DE L’ARC AU MERCURE. 2014 RELAIS A ARC DE GRANDE PUISSANCE
Par MM. L. DUNOYER et P. TOULON.
Sommaire. 2014 1. Interprétation des effets de gaine. - Lorsque l’arc et la gaine sont alimentés en courant continu, les phénomènes sont tout différents. L’action de la gaine
est nulle sur l’arc allumé. Elle ne se fait sentir que pour faciliter ou empêcher l’allumage
de l’arc principal à travers la vapeur conductrice émise par l’arc d’entretien. Si la gaine est négative par rapport à la cathode, on ne peut obtenir qu’un retard à l’allumage. Si elle est positive, elle ne facilite l’allumage qu’à la condition d’être portée en même temps
que l’anode à un potentiel positif.
On interprète ces phénomènes par la diffusion inégalement rapide vers la paroi sur laquelle la gaine est appliquée des ions positifs présents dans la vapeur et des électrons émis par l’arc d’entretien.
Les phénomènes observés en courant continu permettent d’expliquer ceux qui ont été
décrits lorsque l’appareil est alimenté en courant alternatif. Un retard croissant de 0 jusqu’à 03C0 de la phase de la tension gaine-cathode sur la tension d’alimentation appli- quée entre l’anode et la cathode provoque la diminution continue depuis sa valeur maximum jusqu’à 0 de l’intensité moyenne du courant redressé, parce que l’instant d’allu- mage de l’arc, au cours d’une alternance où l’anode est positive, retarde de plus en plus depuis le commencement jusqu’à la fin de cette alternance. Au contraire, une avance de phase est sans action parce que l’arc s’allume toujours au commencement de l’alternance
et reste allumé jusqu’à la lin de cette alternance.
On compare les propriétés des ampoules à gaine, des lampes triodes à vide poussé et des
arcs à mercure munis d’une grille intérieure.
2. Quelques applications des relais à arc. - Dans les relais à arc actuellement construits,
une variation du courant de gaine efficace de l’ordre 10-7 ampère suffit à provoquer ou à empêcher le transport par l’arc d’un courant redressé moyen compris entre 10 et 100 ampères. On peut donc considérer le relais comme équivalent, au point de vue de beau-
coup d’applications, à une lampe triode dont le pouvoir amplificateur serait de 100 000 000 à 1 milliard.
Cette propriété permet de commander le relais à arc non seulement par contact direct à l’extrémité d’une ligne télégraphique ou téléphonique mais encore par radiosiguaux ou par des phénomènes d’influence mettant en jeu de très petites quantités d’énergie. Leurs applications sont donc extrêmement nombreuses, les plus simples étant les applications télémécaniques. On en décrit quelques-unes.
a) Commande direct de mécanismes puissants par un pendule entretenu sans liaisons
matérielles. Le pendule n’agit sur la gaine que par influence.
b) Commande analogue par la variation de capacité d’une ligne reliée à la gaine.
L’approche d’une personne au voisinage de cette ligne suffit à déclancher l’arc.
c) Commande d’un moteur puissant par téléphone ou par radiocourant, avec interposi- tion d’une lampe à 3 électrodes agissant comme détecteur.
SÉRIE IV. TOME V. ()CTOBRE 1921 N° 10.
Dans le numéro précédent de cette revu, iious avons décrit les propriétés remarquables
des redresseurs de courant à vapeur de mercure en verre, ayant une tache cathodique
entretenue et qui comportaient, au voisinage des anodes, des gaines métalliques placées à
l’extérieur de la paroi. Nous avons exposé dans quelles conditions il était possible de pro-
yoquer ou de retarder l’allumage de l’arc allant à chaque anode en modifiant convenable- ment le potentiel des gaines. Nous avons montré enfin qu’une ampoule de convertisseur ainsi
équipée constituait un relais électrique extrêmement puissant qui permettait le contrûle de
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01924005010028900
courants électriques très importants, sous des tensions très élevés, par une action électros-
tatique presque sans dépense d’énergie.
Dans le présent article, nous donnerons l’interprétation des phénomènes décrits, puis
nous indiquerons quelques applications de ces nouveaux relais.
II. SUR L’INTERPRÉTATION DES EFFETS DE GAINE.
_
9. Expériences en courant continu. - Les faits expérimentaux que nous venons
d’exposer présentent des analogies évidentes avec les phénomènes qu’il est possible de pro- duire au moyen des lampes à trois électrode, la tache cathodique de l’arc entretenu fonc- tionnant comme le filament incandescent, la gaine remplaçant la grille de la lampe et
l’anode jouant le rôle de la plaque. On peut donc être tenté d’interpréter ces faits en s’inspi-
rant du mécanisme bien connu qui explique le fonctionnement des lampes. Mais il y a aussi,
entre les deux ordres de phénomènes, des différences profondes. On iie peut mieux le cons-
tater qu’en essayant d’étudier l’effet de gaine en courant continu.
Alimentons donc le relais à arc AC (fig. 10) à travers la résis- tance d’utilisation R au moyen de la batterie P dont une partie sert
à l’arc d’allumage et d’entretien aC. Sur le circuit principal a été
intercalé l’interrupteur I. La gaine G peut t être reliée soit à une
borne, soit à l’autre de cet interrupteur, soit à un point quelconque
de la batterie P.
a. sur l’effet négatif. - Allumons l’arc d’entre-
tien, relions la gaine à la cathode et fermons l’interrupteur 1. En
courant alternatif, nous n’obtiendrions pas l’allumage de l’arc AC.
En courant continu, nous constatons, au contraire, que cet arc s’allume toujours (à la condition que la tension AC soit notablement
plus grande que la tension aC), mais avec cette particularité qu’il
y a un retard à Même en portant la gaine à un poten-
tiel de 400 volts par rapport à’la cathode, il y a allumage; le retard peut atteindre plusieurs secondes. Une fois l’arc AC allumé, les
variations du potentiel de la gaine ne semblent produire aucun
effet sur la colonne positive ni sur l’intensité du courant. L’e f fet négatif n’existe donc jJas, ou, dit moins il n’en subsiste qu’un retard
el l’alliiiiiage.
b. sur l’e f f ét hositi f. - Pour étudier l’effet positif, laissons l’interrupteur
1 ouvert et relions la gaine à l’anode, c’est-à-dire établissons la connexion GM. Fermons
l’interrupteur I. L’arc AC s’allume aussitôt (toujours à la condition que la tension AC soit suffisamment élevée au-dessus de la tension aC, par exemple 110 volts pour la première et
30 volts pour la seconde). Nous retrouvons l’effet positif.
Mais l’einploi de l’interrupteur I va nous permettre de faire une expérience curieuse qui nous paraît jeter beaucoup de lumière sur la cause des effets de gaine.
c. sur - Ouvrons l’interrupteur 1. L’arc AC s’éteint ; l’arc àC reste allumé. Relions la gaine à N. Fermons l’interrupteur. L’arc AC ne s’allume pas.
La gaine est pourtant au même potentiel que l’anode. Remplaçons la connexion GN par la connexion GM: rien ne change, naturellement, puisque I est fermé. Mais ouvrons I et
refermons-le; l’arc s’allume aussitôt.
On obtient donc l’allumage si, la gaine étant d’abord reliée à l’anode et formant avec
elle un système isolé, on ferme l’interrupteur. 011 ne l’obtient pas si, avant de fermer l’in-
terrupteur, la gaine avait été reliée au pôle positif de la batterie.
Ces observations, et en particulier l’inexistence de l’effet négatif, manifestent la diffé-
rence essentielle qui existe entre nos relais à arc et les lampes à B électrodes avec émission
électronique dans un très bon vide, ainsi qu’avec les arcs à mercure à grille intérieure de M. Maurice Leblanc (’). Dans ces appareils, l’établissement d’un champ antagoniste suffi-
(1) MAURICE LEBLANC, C01J1ples 175 (t922), p. 13?.
samlnent intense dirigé de la cathode vers la grille empêche la naissance de tout courant de
plaque ou d’anode, si longtemps qu’on prolonge l’expérience. Avec nos relais, au contraire, l’établissement d’un semblable champ entre la gaine et la cathode entretenue ne peut que tout au plus retarder de quelques secondes l’allumage de l’arc principal.
10. Mécanisme des effets de gaine. - Les effets de gaine s’expliquent par la diffu- sion des centres chargés positivement ou négativement qui existent dans la vapeur conduc- trice émise par l’arc d’entretien, ;ers la surface interne de la paroi sur laquelle est appliquée
la gaine. Les centres positifs sont des ions de dimension atomique, atomes de mercure ayant perdu un électron périphérique. Leur vitesse de diffusion dans la vapeur, en l’absence de
champ électrique, est donc pratiquement la même que celle des atomes de mercure. Les centres négatifs doivent être en majorité des électrons émis par la tache cathodique entrete-
nue ou arrachés par ceux-ci aux atomes de mercure dans le phénomène de l’ionisation par chocs. Leur vitesse de diffusion à travers la vapeur est évidemment beaucoup plus grande.
a. AIÙnentation en couJ’allt - Il est facile de voir pourquoi, une fois que l’arc
est alluiiié en courallt continu, on ne pellt l’éteindre en portant la -hine à un poten-
tiel inférieur à celui de la cathode : les ions positifs, extrêmement nombreux. présents dans
la colonne positive, viennent se fixer sur la surface interne de la paroi, en face de la gaine,
et détruisent le champ antagoniste qui s’opposait au mouvement des électrons, porteurs du courant, de la cathode vers l’anode. ’
L’inefficacité, une fois l’arc allumé, d’une grille intérieure, négative par rapport à la cathode, se manifeste aussi dans les arcs au mercure de M. Maurice Leblanc, pour une rai-
son analogue bien qu’un peu différente : en raison de leur faible mobilité et de la petitesse
de leur chemin moyen, les ions positifs, tout en venant au contact de la grille produire un
courant de grille continu, créent autour d’elle un nuage positif qui neutralise pratiquement
le champ anode-grille et le champ cathode-grille, de sorte que les électrons continuent à circuler entre l’anode et la cathode comme si la grille n’existait pas.
Au contraire, dans la lampe à trois électrodes le champ antagoniste créé entre la
cathode et la grille ne peut être modifié, à beaucoup près, dans la même mesure, à cause de l’absence de gaz et d’ions positifs dans la lampe, de sorte que le courant d’électrons allant
de la cathode à la plaque est toujours supprimé si la grille est négative par rapport à la cathode.
Considérons maintenant le cas oit 1-’are ?i’est pas encore allumé et supposons que, la
~
gaine étant portée à un potentiel inférieur à celui de la cathode, on établisse une tension continue entre l’anode et la cathode. Les ions positifs présents dans la vapeur émise par l’arc d’entretien joueront le même rôle que précédemment. Une fois la neutralisation de la
gaine obtenue, l’arc principal s’allumera. Il n’y aura donc pas d’effet négatif, mais seule- ment un à l’allllniage et c’est bien ce que nous avons décrit plus haut.
Avec les arcs à grille intérieure, il doit en être de même si le nuage d’ions positifs
rassemblé autour de la grille est suffisamment dense, malgré l’absorption continue de ces
ions par la grille ; c’est ce qui pourra arriver si les mailles de la grille son t larges et si la
densité en ions positifs de la va,peur au sein de laquelle est plongée la grille est grande,
c’est-à-dire si la grille est placée au voisinage de la cathode. Mais, avec certaines formes
d’ampoules dans lesquelles la conductibilité de la vapeur au voisinage de l’anode est faible,
on pourra obtenir l’effet négatif, c’est-à-dire empêcher l’arc de s’allumer, en plaçant la grille
au voisinage de l’anode. C’est ce qui correspond sans doute aux conditions dans lesquelles
a opéré Maurice Leblanc, qui plaçait l’anode et la grille dans un tube latéral où la con-
ductibilité de la vapeur émise par l’arc d’entretien était vraisemblablement moindre que dans le flux de vapeur directement émise au-dessus de la cathode. En plaçant, au contraire
la grilla au milieu d’un tube droit réunissant l’anocle et la cathode, nous avons bien constaté
son inefficacité pour empêcher l’allumage; celui-ci se produisait avec un retard de quelques
secondes.
La même conception permet d’expliquer l’expérience en apparence paradoxale du para-
graphe précédent, relative à l’importance que présente, pour l’allumage de l’arc principal,
(effet positif), l’ordre dans lequel on établit les connexion de Fanode à la batterie et de la
gaine à l’anode. Si on réunit d’abord la gaine à l’anode, isolée (connexion GM, interrupteur
1 ouvert, fig. 10), la surface intérieure de la paroi ne se recouvre pas d’ions positifs; ceux qui viennent s’y fixer par diffusion sont neutralisés au fur et à mesure, par recombinaison
avec les électrons qui viennent frapper la paroi. Au moment oo Fon ferme l’interrupteuo,
rien ne s’oppose donc au passage de rare, la gaine ne faisant qu’augmenter le champ au-
dessus de la cathode. Si, au contraire, on réunit d’abord la gaine au pôle positif de la bas -
terie, Fanode restant isolée (connexion interrupteur 1 ouvert), les charges négatives présentes dans la vapeur viennent se.fixer sur la paroi en face de la gaine jusqu’à ce que le
champ au-dessus de la cathode devienne nul. La fermeture de l’interrupteur l ne changera
rien à cette situation et ne provoquera pas l’allumage de l’arc. Si on remplace la,connexiou
GN par G:B1, et qu’on ouvre l’ inler1-upteur, le systèmc gaine-anode se trouvera isolé et les
charges négatives présentes sur la paroi seront rapidement neutralisées par les ions positifs qu’elles attirent. En refermant l’interrupteur, on provoquera donc aussitôt I*alliima-e de l’arc
b) Alinietitatioji en - L’alllllnage de rare principal en courant alter- natif quand la tension gaine-cathode est eii phase avec la tension d’alimentation se produit d’après le même mécanisme que lorsque l’alimentation est continue, sans que l’allumage puisse être empêché, comme dans l’expérience 3 sur l’effet positif, par une charge négatives préalable, suffisamment grande, de la paroi interne vis-à-vis de la gaine.
En effet, pendant l’alternance où, l’anode étant négative, l’orc lle peut s’allumer, des charges positives seules peuvent venir se fixer sur la paroi. Il est probable qu’il en vient peu, surtout si la fréquence est élevée, à cause de la mobilité relativement faible de ces charges.
En tous cas, au moment où commence l’alternance pendant laquelle la gaiue et l’anode sont positives, et où l’allumage peut se produire, il n’y a aucune accumulation de charges néga-
tiyes sur la paroi. A mesure que les tensions gaine-cathode et anode-cathode augmentent,
les ions négatifs ou les électrons présents dans la yapeur se déplacent avec des vitesse croissantes vers la gaine et vers l’anode. L’ionisation par chocs multiplie leur nolnbrc et l’arc s’allume quand la tension anode-cathode a atteint une valeur suffisante.
Une fois allumé, l’arc reste allumé tant que la différence de potentiel appliquée à l’anode
et à la cathode est supérieure à la chute de tension dans l’arc. Pendant cette période, le potentiel de la gaine ne joue plus aucun rôle. L’arc reste éteint pendant toute l’alternance où l’anode est négative, puis les phénomènes se reproduisent de nouveau.
Supposons, au contraire, que la tension gaine-anode soit en opposition de phase avec
la tension d’alimentation. Pendant l’alternance où l’anode est négative, et par conséquent
l’arc éteint, la gaine est positive et la paroi interne se couvre de charges négatives. Pendant
l’alternance suivante, où l’anode est positive et la gaine négative, ces charges tendent à se
recombiner avec des ions positifs ; mais cette recombinaison ne se produit pas instantané- ment et, si la fréquence n’est pas trop basse, l’effet de répulsion des charges négatives fixées
par la gaine sur celles qui viennent de la cathode dure plus longtemps que l’alternance.
L’arc ne peut donc pas’ s’allLlmer. Puis survient l’alternance où l’anocle est négative, pendant laquelle l’accumulation de charges négatives se produit de nouveau devant la gaine et ainsi
de suite.
On s’explique de la sorte l’action de la gaine par « tout ou rien o . Les mêmes considé- rations rendent aisément compte de l’influence, sur l’intensité du courant redressé, d’une
différence de phase (autre que 0 ou x) entre la tension gaine-catllode et la tension d’alimen- tation.
Traçons en effet (fig. 11, 1~, 13, 14, 15, 16) la sinusoïde qui représente la variation crl
fonction du temps de la tension d’alimentation appliquée entre l’anode et la cathode. Traçons également la sinusoïde de la tension gaine cathode, et les parallèles à l’axe des temps qui représentent : 1° la tension sensiblement constante, existant réellement entre l’anode et la cathode quand l’arc est allumé (chute cle tension dans l’arc) ; ’2° la tension critique gaine-
cathode qui doit être atteinte pour que Farc s’allume; nous avons supposé pour le tracé
figures que cette tension état inférieure à la chute de tension dans l’arc, mais la supposition
inverse ne change rien d’essentiel aux
293
Supposons d’abord que la tension gaine-cathode soit en concordance de phase avec la
tension appliquée (sur la figure i1 on a supposé, en outre, pour simplifier la figure, que ces deux tensions étaient égales, mais ceci n’a pas non plus d’importance). Partons du moment où la tension appliquée est nulle. Quand cette tension atteint la valeur de la chute de
. Cone )l’dance de phase entre la Lensioii appliqu0e et la tension gaine-cathode. -
tension dans rare, l’arc s’allume, puisque la tension critique est dépassée; il reste allumé
jusqu’à ce que la tension appliquée redevienne égale, en décroissant, à la chute de tension dans l’arc. Les courbes en trait épais indiquent la variation de la tension anode-cathode et l’intensité du courant. Celui-ci possède évidemment alors sa valeur moyenne maximum. La
TI
12. - de la ten-don sur la tension appliquée ano1e-calhode.
figure 12 correspond à un retard de phase égal à un huitième de période de la tension gaine-
cathode sur la tension appliquée. Quand la tension gaine cathode atteint la valeur critique d’allumage, la tension appliquée a déjà dépassé la valeur correspondant à la chute de tension dans l’arc. Celui-ci s’allume et la tension entre l’anode et la cathode tombe brusquement à
cette valeur, puis s’y maintient jusqu’à ce que la tension appliquée, en décroissant, lui devienne égale. L’arc s’éteint alors.
Les mêmes explications s’appliquent aux figures 13 et f4, qui correspondent à un retard
ù’an quart et de trois huitièmes de période de la tension gaine-cathode sur la tension appli-
1
Fig. 13. - Retard 9 de la tension gaine-cathode sur la tension appliquée anode-cathode.
3 7r
Fig. 1 4. -
Relard -
de la tension gaine-cathode sur la tension appliquée anode-cathode.4
quée. La valeur moyenne du courant redressé diminue constamment. Elle s’annule (fig.
quand le retard de phase devient tel qu’au moment où la tension gaine-cathode atteint, en croissant, la tension critique d’allumage, la tension appliquée atteint, en décroissant, une
valeur égale à la chute de tension dans l’arc. La chute de tension dans l’arc étant générale-
ment beaucoup plus faible que le maximum de la tension appliquée, on voit que le courant redressé tombe à 0 poui une valeur du retard de phase 7t - S peu inférieure à une demi-
période.
Le courant redressé reste nul quand le retard de phase augmente encore de 7: 2013 e à - +~,
ce dernier retard correspondant au cas où la tension appliquée atteint, en croissant, la chute de tension dans l’arc au moment oii la tension gaine-cathode atteint, en décroissant, la valeur critique d’allumage. Lorsque le retard de phase atteint 7t -)- 6 (fig. 16), l’arc s’allume et reste allumé pendant une demi-période presque complète. En supposant que, dans la
ligure 16, on fasse glisser vers la droite la sinusoïde de la tension gaine-cathode, on voit
295
que, si le retard de phase augmente de 7: + e à 2 z, le point d’allumage ne change pas,
puisque la tension atteinte par la gaine au moment où la tension appliquée atteint en
croissant la chute de tension dans l’arc, est toujours supérieure à la tension critique d’allu-
Fig. 15. - Retard 7t - s de la tension gaine-cathode sur la tension appliquée anode-cathode.
Fig. 16. - Retard 7t + E de la tension gaine-cathode sur la tension appliquée anode-cathode.
mage. De n -+- ~ à 2 7:, l’intensité du courant redressé reste donc constante et égale à sa.
valeur maximum.
Si nous avions supposé que la chute de tension’ dans l’arc est inférieure à la tension cri-
tique d’allumage, on verrait facilement, d’après les figures précédentes, que le courant moyen commence à diminuer un peu avant la concordance de phase, et se réduit à zéro pour un comme sur la figure 15. Il reprend et garde constamment sa valeur maximum depuis r + ~ jusqu’à un peu avant le retour à la concordance.
Un retard de phase à 2 x étant plus généralement considéré comme une avance de phase, nous arrivons donc à l’énoncé suivant, en plein accord avec les faits décrits plus
haut : lorsque la phase de la tension gaine-cathode prend un retard croissant sur la tension anode-cathode depreis le voisinage de la concordance ji(sqii’ait voisiJla.qe de
le moyen redressé dirniuue depuis sa valeur JuiJlÎnllLJJl jusqu’à
contraire la phase de la tension gaine-cathode prend une aitiiice sur /fi tension
