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Submitted on 1 Jan 1902
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La constitution de l’étincelle électrique
G.-A. Hemsalech
To cite this version:
G.-A. Hemsalech. La constitution de l’étincelle électrique. J. Phys. Theor. Appl., 1902, 1 (1),
pp.76-90. �10.1051/jphystap:01902001007600�. �jpa-00240688�
76
LA CONSTITUTION DE L’ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE (1);
Par M. G.-A. HEMSALECH.
Quand une étincelle électrique éclate entre deux électrodes métal-
liques quelconques, 1"examen spectroscopique nous montre que les
raies dues au métal ne sont pas seulement visibles dans le voisinage
immédiat des électrodes, mais qu’elles vont souvent d’un pôle à
l’autre. La vapeur métallique a donc du parcourir l’espace entre les
deux électrodes avec une certaine vitesse.
-
L’objet des recherches de M~I. Schuster et Hemsalech, que nous
nous proposons d’analyser brièvement dans ce qui suit, était des
mesurer cette vitesse de diffusion des vapeurs métalliques pour les différents métaux ainsi qne pour les différentes raies spectrales de
ces métaux.
Feddersen, dans ses expériences bien connues (2), avait employé,
pour l’analyse des étincelles électriques, un miroir tournant, qui pro-
jetait l’image de l’étincelle sur une plaque photographique.
Pour l’examen plus détaillé faisant l’objet des expériences actuelles,
il était nécessaire de faire passer la lumière de l’étincelle à travers
un appareil spectroscopique, afin de pouvoir distinguer entre les
.
particules lumineuses dues à l’air et celles dues au métal constituant les électrodes.
Avec ce système plus compliqué, la méthode de Feddersen, qu’avait essayée M. Schuster à plusieurs reprises, ne donnait pas des résul- tats assez satisfaisants. Une autre méthode, qui consiste à photogra- phier l’étincelle sur une pellicule mobile et qui avait été employée
par M. Dixon dans ses expériences sur les explosions, donnait des
résultats plus nets.
Elle a été appliquée, avec certaines modifications, aux expériences
en question.
’Description des appareils.
--Dans les expériences de NI. Dixon,
la pellicule était fixée sur la périphérie d’une poulie. Mais, pour de
grandes vitesses, telles qu’on est obligé de les employer pour l’ana- (1) Bibliographie : A. SCHUSTER, Rep. Brit. Ass. Toronto, 1897;
-A. SCHUSTER et G. HEMSALECH, Phil. Trans., t. CLXXXXIII, pp. 189-213, 1899; 2014 G.-A. HEMSALECH, Comptes Rendus, t. CXXX, p 898, 1900 ; t. CXXXII, p. 917, 1901; 2014 Recherches expérimentales sur les spectres d’étincelles, p. 138; Paris, 1901, A. Hermann, J. de Phys., 3e série, t. IX, p. 43 ; 1900.
(2) FEDDERSEN, Pogg. Ann., t. CXIII, p. 437.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01902001007600
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lyse des étincelles, la pellicule risque d’être arrachée par suite de la force centrifuge engendrée. L’appareil modifié (~r~. ~ ) consistait en un disque d’acier A, de 33 centimètres, de diamètre, monté sur un
axe qui était en relation avec un moteur électrique, 1~1. Un deuxième
disque B, de ~~ centimètres pouvait être vissé concentriquement sur
le prernier, de manière à pouvoir fixer solidement une pellicule pho- tographique circulaire de 30 centimètres de diamètre, qu’on serrait
FIG. ~ .
ainsi entre les deux disques. Ces disques étaient enfermés dans une
boîte circulaire C, qu’on fermait complètement à l’aide du couvercle D, après avoir fixé la pellicule. L’image du spectre de l’étincelle tom- bait à travers l’ouverture E, pratiquée dans le couvercle, sur une partie annulaire de la pellicule qui dépassait le petit disque.
En général, le disque tournait à raison de 120 tours environ par seconde, ce qui correspond à une vitesse linéaire d’environ 100 mètres
par seconde, pour la partie de la pellicule qui recevait le faisceau lurnineux.
L’étincelle était produite par la décharge de six grandes bouteilles
de Leyde ayant une capacité totale de 0,033 microfarad. Ces bou- teilles étaient chargées par une machine de Wimshurst à douze pla-
teaux. L’image de l’étincelle éclatant entre deux électrodes enfermées
78
dans une boîte E (~~. 2) était projetée, à l’aide d’une lentille 1B, sur la
fente d’un collimateur B, l’étincelle étant verticale et parallèle à la
fente. Le spectre produit par le prisme C était projeté à l’aide de la lentille D sur la pellicule sensible, fixée (comme on l’a indiqué précé- demment) au disque F, lequel était mis en rotation par le moteur 1B1.
FIG.2.
Il est évident que 1 image du spectre doit tomber sur la partie de la pellicule qui se trouve perpendiculairement au-dessus ou au-dessous
de l’axe de rotation du disque, de manière que la direction de dépla-
cement de la région qui reçoit l’in1age fasse un angle droit avec la
direction de l’étincelle.
Maintenant les différentes parties du spectre ne sont pas toutes à la même distance de l’axe de rotation. Pour pouvoir effectuer la
correction dans la réduction des observations, il est nécessaire de connaître la longueur d’onde exacte, qui est située perpendiculaire-
ment par rapport à l’axe de rotation. Elle est facile à trouver à l’aide d’un fil à plomb placé devant le disque et passant par le centre ; l’ombre produite par le fil est suffisamment impressionnée sur une
photographie quelconque du spectre.
,~~Iéth~de lJour déterminer la vitesse des particules par les mesures
des I)holographies.
-Soit ~1~1’ ~ (fly. :~) le bord supérieur et BB’ le
79
bord inférieur du spectre supposé obtenu sur une pellicule immobile.
Soit KH 1’image monochromatique dé la fente au moment’ du com-
mencement de la décharge et KR, HS les bords courbes d’une raie
spectrale, comme ils paraitraient sur une photographie obtenue avec
FiG. 3.
une pellicule mobile. On détermine les déplacements en mesurant
les coordonnées PC
=y et NC = x. Soit 0 le centre du disque ; un point C’ quelconque de l’image de la fente décrira un arc C’C sur la
pellicule mobile et le temps mis par la particule, pour aller de K en
C’, correspond au temps employé par le point C à tracer l’arc GC’, qui, dans notre cas, peut être confondu avec sa corde. Soit M le milieu de CC’, MQ perpendiculaire à HK et QO parallèle à HK. Par conséquent : 1
en faisant KC’ = .~, OF’
=a, FK
=b, et en négligeant de petites quantités, on a :
1
de même pour la courbe HS : -.
On a aussi CC’ : CN = 0 NI OQ, ou, en posant CC’
=S et OM
=r
et en négligeant des petites quantités :
80
Soit a -- c
-h, où c est la distance entre 0 et le milieu du spectre, et T2 la demi-largeur du spectre; nous avons avec une approximation suffisante :
où le signe
--indique les mesures faites dans la direction de HS.
Le temps t, p mis pour tracer l’arc CC, est éwal n à s , 03 étant la
rw
vitesse angulaire du disque, et, en désignant par v la vitesse linéaire
au milieu du spectre, nous avons :
Les mesures des photographies nous donnent y et x ; h et c ont
été pour ainsi dire constants dans les expériences ; les équations pré-
cédentes permettent de calculer :
Soient ~.~~ , ~~ et ~c~, y2, les coordonnées de deux points assez rappro- chés l’un de l’autre sur l’image courbe de la raie spectrale, la vitesse
de la particule lunlïneuse au point correspondant dans l’étincelle
sera égale à K ~~ ^ ~’ où K est le rapport entre la longueur de Il 2013 ~2
l’étincelle et celle de son image sur la pellicule.
Manière d’opérer.
-Après avoir effectué tous les réglages néces-
saires ~~ ) pour obtenir des images nettes du spectre sur la pellicule
et aprés avoir fixé cette dernière entre les deux disques, on faisait
éclater une seule étincelle et on recevait ainsi son spectre sur la pellicule, le disque étant encore immobile ; ce spectre servait de terme de comparaison. Maintenant on faisait tourner le disque avec
la vitesse nécessaire et, quand le mouvement était devenu uniforme,
on faisaicéclater environ six étincelles dont les images des spectres
se distribuaient au hasard sur la pellicule ; parfois quelques-uns de
ces spectres étaient superposés. Les images n’étaient pas toutes de la même pureté, car l’étincelle n’éclate pas toujours parallèlement
(1) Pour les détails, voir Schuster et Hemsalech, loc. cil.
81 à la fente. Pour les mesures, on choisissait toujours les deux meil-
leures images. Ces mesures consistaient à évaluer les déplacements
horizontaux de chaque raie spectrale à différentes distances du bord du spectre, et elles étaient effectuées à l’aide d’un comparateur cons-
truit par Zeiss.
’Résultats.
-Aspects d’une étincelle électrique.
-La fige 4 représente la photographie d’une étincelle ordinaire d’un centimètre de longueur, produite par la décharge de cinq grandes bouteilles de
Leyde, et éclatant entre des électrodes en fer. Vers le milieu de cette
.
1"IG. 4.
étincelle on aperçoit le trait lumineux, bien limité, reliant les extré- mités (visibles sur la figure) des deux électrodes. Comme nous
l’avons constaté ultérieurement, ce trait lumineux est dû à la décharge initiale, perçant la couche d’air entre les électrodes. L’auréole qui
entoure le trait lumineux a une forme très irrégulière et nébuleuse ;
son étendue et son éclat varient selon la nature du métal qui cons-
titue les électrodes.
Mesure des vitesses moléculaires.
-Les meilleurs résultats ayant
été obtenus avec le zinc, nous avons choisi ce métal pour l’étude
82
dans des conditions différentes, en faisant varier la capacité du con-
densateur et la distance explosive. La /~. 5 représente le spectre
du zinc obtenu par une seule étincelle quand la pellicule était immo-
1,’ic,. ,.
bile. La /~/. 6 représente le même spectre quand la pellicule se déplace
à raison de 100 mètres par seconde pour la partie au milieu du
FIG, ii.
spectre. On voit que les raies de l’air sont restées droites, mais
les raies métalliques sont courbes et élargies. Il en résulte donc
que les vapeurs métalliques restent lumineuses plus longtemps que l’air et que les particules métalliques sont projetées des électrodes
avec une vitesse mesurable. L’élargissement du doublet de l’azote
dans le vert correspond à une durée de luminosité de 4 X 10- 7 de seconde seulement. Il semble que l’air reste lumineux un peu plus longtemps au centre de l’étincelle que près des pôles.
,
Les résultats des mesures pour les raies du zinc sous différentes conditions sont contenus dans le tableau ci-dessous. On ne donne que les vitesses moyennes entre l’électrode et un point situé à une
distance de 2 millimètres de celle-ci. Les vitesses sont données en
mètres par seconde dans les trois dernières colonnes.
83
Un fait remarquable, dans ce tableau, est que la vitesse pour le doublet A
=~.9~~ est moindre que celle pour la raie À ‘ 4.811, la raie la moins réfrangible du triplet dans le bleu ; cela pourrait s’expliquer par le fait que la raie 4.925 (la composante la moins réfrangible du doublet) est plus large et diffuse près du bord du spectre ; par conséquent, il est difficile de pointer le réticule du
microscope exactement sur cette raie. Il se peut que, si cette cause
~d’erreur n’existait pas, le doublet donnât des valeurs plutôt plus grandes que plus petites pour la vitesse. En comparant entre elles les différentes capacités, nous trouvons que, pour une distance explo-
sive de 5 millimètres, les vitesses sont plus grandes pour de petites
que pour de grandes capacités, résultat qui demande à être con-
firmé. Avec les grandes distances explosives de 1,5 centimètre, le chemin de la décharge devient très irrégulier et les nombres obte-
nus pour les vitesses sont très douteux.
Pour la distance explosive d’un centimètre, les nombres obtenus pour les vitesses ne donnent pas une différence décisive due à la
capacité ; aussi, pour la capacité de six bouteilles de Leyde, la lon-
gueur de l’étincelle ne semble pas influer sur le résultat. Nous pen-
sons donc être en droit, dans ces conditions, de comparer entre elles les vitesses obtenues pour les différents métaux.
Les vitesses moyennes sont contenues dans le tableau suivant:
La distance explosive était égale à 1 centimètre, et l’étincelle était produite par six bouteilles de Leyde. Les métaux sont rangés
lans l’ordre de leurs poids atomiques.
84
Magnésium. - Toute l’énergie du spectre semble être concentrée dans la raie a= 4.481 et dans le triplet commençant par a
=3.838,4.
Sur la pellicule mobile, ces raies sont résolues dans des nuages
remarquables comme le montre la ~J. ~ . On peut cependant conclure
de la courbure des raies que la vitesse des particules de magnésium
est grande et environ la même que celle de l’aluminium.
~’~G. 1.
Fer et manJa~2ése. - Plusieurs de leurs raies sont marquées sur
la pellicule immobile ; mais, en faisant tourner le disque, elles dispa-
raissaient complètement. Cependant, en diminuant la vitesse de rota- tion et en élargissant lafente, les déplacements de ces raies pouvaient
être observés, mais on n’a pu effectuer des mesures.
85 Le cuivre et l’argent ne donnaient pas de raies assez bien définies pour des mesures.
Le bisînuth a donné des résultats très intéressants en ce qu’il pos- sède certaines raies qui sont très peu déplacées, donnant des vitesses
très grandes, tandis que d’autres ne le sont que très peu, donnant des vitesses très lentes. Il y a une certaine difficulté dans les mesures
des raies du bismuth, mais nos meilleures photographies ne laissent
pas de doute à cet égard.
En comparant entre eux les résultats obtenus pour les différents métaux, la question qui se présente évidemment est de chercher une
relation entre les vitesses et les poids atomiques. Mais l’incerti- tude de nos nombres est tellement grande que, pour le moment, nous pouvons seulement tirer cette conclusion générale que les deux mé- taux examinés par nous et ayant les poids atomiques les plus petits
sont aussi ceux qui donnent les plus grandes vitesses. Nous ne pou-
vons pas entrer ici dans les détails de la discussion des résultats, et
nous devons, pour cela, renvoyer le lecteur au mémoire original (’ ) . Expériences sccns décoJnposition prismatique.
-En envoyant sur
la pellicule mobile l’image d’une étincelle analogue à celle repré-
sentée sur la flg. 4, on constate que l’image du trait lumineux reste immobile, tandis que l’image de l’auréole est allongée considérable- ment, surtout vers le milieu de l’étincelle, ce qui montre que la durée d’éclat du trait lumineux est très courte tandis que l’auréole reste
encore visible pendant un temps relativement grand. La fig. 8 repré-
sente une de ces photographies ; le trait lumineux n’est pas visible dans cette reproduction, mais on le voit bien sur le cliché original, où
il marque nettement le bord de l’image, ce qui prouve que le trait lumineux est lapremière phase dans la production d’une étincelle, et-
il marque le chemin de la décharge initiale. Les oscillations ne sont pas visibles non plus sur cette photographie : elles sont cachées par l’auréole. Si maintenant on interpose un collimateur pourvu d’une fente et qu’on projette l’image de l’étincelle sur la fente parallèlement
à cette dernière, de sorte que l’image reçue sur la pellicule photogra- phique soit une lignefine et nette, on voitles oscillations de la décharge s’imprimer admirablement bien sur la pellicule La fig. 9 représente
un agrandissement (six fois) de la photographie d’une de ces étin-
(1) SCHUSTER et IIE:B1s.BLECH, 10C. cit.
86
celles. La vitesse linéaire de la pellicule était de 1()U mètres par seconde.
La ligne droite que l’on aperçoit sur cette gravure est produite
par la décharge initiale ou le trait lumineux ; la série de lignes
courbes indique les oscillations, et, en comparant les fig. 8 et 9, il de- vient évident que ces oscillations ont lieu dans l’auréole. Nous avons vu plus haut, en photographiant le spectre de l’étincelle sur
la pellicule mobile, que les raies restées droites étaient celles dues à l’air et que les raies devenues courbes étaient celles dues au métal
qui constituait les électrodes. Il résulte donc de ces expériences que la dêcharge initiale donne le spectre du gaz et que les oscillations.
.
qui ont lieu dans l’auréole donnent le spectre du métal. Ceci était
encore confirmé, sur la pellicule photographique, par la répétition successive, par suite des oscillations de la décliarge, des raies métal-
liques de certains métaux (le bismuth et le mercure). L’auréole est donc constituée par la matière des électrodes, entraînée par la décharge
et chauffée jusqu’à l’incandescence, surtont par les oscillations qui
suivent la décharge initiale. En résumé, une étincelle électrique se produit de la manière suivante : La couche d’air entre les deux élec- trodes est d’abord percée par la décharge initiale; ensuite l’air qui
se trouve dans le voisinage immédiat du chemin parcouru par la
décharge est rendu incandescent : c’est le tî-ait luiniîîe,4x. Mais, immé-
diatement après, l’espace compris entre les deux électrodes se rem-
plit de la vapeur métallique produite et entraînée (’ ) par la décharge
initiale : c’est tauréo!e. Les oscillations qui suivent la décharge ini-
tiale traversent cette vapeur et la réchauffent.
L’effet de self-induction dans le c£rcuit de décharge.
-L’étincelle oscillante.
-En insérant dans le circuit de décharge une bobine de
self-induction sansnoyau métallique, qu’on peut faire varier à volonté,
on observe qu’avec l’augmentation de la self-induction la forme des l’auréole devient de plus en plus régulière et la décharge initiale ou
le trait lumineux devient de plus en plus faible, de manière que
l’étincelle semble formée uniquement de la vapeur métallique incan-
descente. La forme que prend l’étincelle est celle d’une sphère oui
d’un ellipsoïde, selon la longueur de l’étincelle. La nature du métal
qui constitue les électrodes semble aussi influer sur la forme de (1) Ce flux de la vapeur métallicjue est probablement aussi du en partie à l’état
de raréfaction de l’espace entre les deux électrodes, état causéparla décharge ini-
tiale.
"
87
Féhncelle. Des formes très régulières sont obtenues avec le cuivre et 1’a luminium. Le cadmium et le plomb donnent des étincelles oscil- lantes plus ou moins irrégulières. En ce qui concerne l’éclat des 1>1 i acelles oscillantes, il dépend, en premier lieu, de la nature métal-
li ilie des électrodes ; avec des électrodes de fer et de cobalt, l’i n- tensité de l’étincelle commence d’abord par diminuer et ensuite
augmente par l’insertion d’une faible self-induction qu’on augmente graduellement (en faisant abstraction du trait lumineux de l’étin- celle ordinaire, qui est excessivement faible dans l’étincelle oscil-
lante).
..Avec des électrodes en magnésium, l’éclat de l’élincelle, par suite de l’accroissement de la self-induction, atteint d’abord un minimum, puis un maximum, et ensuite un deuxième minimum.
Pour le zinc, le cadmium, le cuivre, l’aluminium et le plomb, les
variations dans l’éclat sont analognes à celles que nous avons obser- vées pour le fer et le cobalt, excepté que leurs maxima sont plus faibles ; quant à la self-induction correspondant à ces maxima et minima, elle varie avec la nature du métal.
En photographiant une étincelle oscillante sur une pellicule mo- bile, on remarque que la décharge initiale est beaucoup affaiblie,
tandis que les oscillations qui la suivent sont très marquées et en
mème temps plus lentes et plus nombreuses que dans l’étincelle ordinaire. La fig. 10 est la reproduction d’une photographie d’une
étincelle oscillante obtenue à l’aide du disque tournant. En compa- rant cette photographie avec la/~/. 9, obtenue avec la même étin-
celle, mais sans self-induction, on voit, dans ce dernier cas, que c’est la décharge initiale qui prédomine, contrairement à ce que l’on constate dans le premier cas, où ce sont les oscillations qui prédo-
minent. En augmentant davantage la self-induction, la décharge
initiale disparaît presque complètement. Nous avons, en effet,
trouvé (’ ) que le spectre de l’air, que l’on voit toujours dans les
étincelles ordinaires, et qui est dîi au trait lumineux, avait complè-
tement disparu ; de sorte que le spectre de l’étincelle oscillante ne
contenait que des raies dues au métal, mais douées d’un éclat remar-
quable. On peut se rendre compte de ces évolutiôns des raies spec- trales en comparant les fig. 8, 9 et ’10. Sans self-induction, la dé- charge est hrusque, de manière que presque toute l’énergie est
(1) SCHUSTER et IIE~IS,%LECii, 10C. cil., ~~. 211.
’
88
utilisée dans la décharge initiale ; avec self-induction, il y a des courants induits dans la bobine, de sens opposé, et qui em- pêchent une décllarge rapide. La couche d’air entre les deux élec- trodes est percée par une faible décharge initiale qui, en même
~ - - -~
Fm. 8. FI4,. !).
temps, produit une petite quantité de vapeur métallique ; cette der-
_
nière est ensuite traversée par la première oscillation, laquelle
.
réchauf’fe cette vapeur et en produit encore davantage. La deuxième
’
FIG. 10.
oscillation traverse la vapeur engendrée par la première en produi-
sant encore de la vapeur métallique, et ainsi de suite pour chaque
oscillation d’une même décharge. On voit donc que presque toute
l’énergie, dans une étincelle oscillante, est utilisée pour chauffer la vapeur métallique ; c’est seulement la faible décharge initiale qui
traverse la couche d’air, et elle n’est pas assez forte pour chauffer
89 Pair jusqu’à l’incandescence appréciable ; elle est cependant suffi-
samment forte pour produire de la vapeur métallique, qui est en-
suite réchauffée par les oscillations qui suivent la décharge initiale
et dont la quantité augmente à chaque oscillation (’ ) .
Si l’on introduit dans la bobine de self-induction un noyau de fer,
les oscillations de la décharge sont détruites, comme je l’ai démontré
dans un article antérieur (2). Pour marquer cette influence du fer d’une manière plus nette, j’ai eu recours à la méthode photographique, qui consiste à photographier l’étincelle sur une pellicule fixée sur la périphérie d’une poulie et en me servant d’un collimateur pourvu d’une fente (comme on l’a décrit plus haut). Quand la poulie est immobile, l’image de la fente est unique (fig. 11). Quand on fait
FIG. 11.
,Fio.12. FIG. 13.
tourner la poulie de manière à lui donner une vitesse périphérique
d’environ 15 mètres par seconde, on obtient une série d’images de la
fente correspondant aux oscillations de la décharge (~’cc~. 12) ; la self-
induction utilisée était de 0,042 henry. En introduisant un petit
noyau de fer de 18 millimètres de diamètre dans la bobine de self-
induction, le nombre des oscillations diminue beaucoup, comme le
montre la fig. ~3.
~ Avec un noyau de fer de 46 millimètres de diamètre, une ou deux oscillations seulement persistent.
Pour montrer que c’est seulement la surface du noyau de fer qui intervient, comme l’a déjà montré M. J.-J. Thomson (3), j’ai rem- placé le noyau de fer par un tube mince de même diamètre que le noyau : l’action semble même plus vigoureuse qu’avec un noyau.
Une de ces photographies est reproduite par la fig.14. La décharge
(1) Pour la spectroscopie de l’étincelle électrique dans différentes conditions de décharge, voir 1-IEIZS~LECH,Reche~°cl~esexpérinze~atalesszc~°lesspect~°es d’étincelles, Paris ; 1901.
(’) J. de Ph!ls., 3e série, t. IX p. 437; 1900.
(3) J .-J . Tfio~rso~, Smithsonian r~epo~°t foi- 1892, p. 2aS 1, Washinglon ; 18~3.
90
initiale est représentée par une faible ligne fine ; la seule oscillation bien développée ressemble plutôt à une étincelle continue.
~
