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Submitted on 1 Jan 1912
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Émission cathodique a l’intérieur des lampes à incandescence
L. Houllevigue
To cite this version:
L. Houllevigue. Émission cathodique a l’intérieur des lampes à incandescence. J. Phys. Theor. Appl., 1912, 2 (1), pp.523-534. �10.1051/jphystap:019120020052300�. �jpa-00241773�
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ÉMISSION CATHODIQUE A L’INTÉRIEUR DES LAMPES A INCANDESCENCE ;
par M. L. HOULLEVIGUE (1).
I. Lorsqu’on survolte fortement une lampe à incandescence à filament de charbon, par exemple en mettant sous 75 volts une lampe de 50,
on observe quelquefois une lueur bleuâtre qui remplit la totalité de
l’ampoule. Cette lueur, examinée au spectroscope, donne les raies du mercure; elle disparait spontanément au bout de deux ou trois minutes; les expériences ultérieures ont établi que cette disparition
avait pour cause un dégagement de gaz provenant soit de l’ampoule,
soit du filament. L’approche d’un aimant en fer à clleval concentre la lueur suivant un tube de force, qui passe toujours par le filament incandescent.
’
, Fic.. 1.
Tous ces effets peuvent être attribués, en première analyse, aux
électrons émanés du charbon, qui rendent lumineuse par leurs chocs
la vapeur du mercure laissée dans l’ampoule par la pompe à vide;
en particulier, l’enroulement suivant des tubes de force, comme dans
les expériences de Villard sur l’aurore boréale, est tout à fait
, caractéristique d’électrons à faible vitesse.
Lorsqu’on soude à l’ampoule de la lampe des récipients de formes
(1) Communication faite à la Société française de Physique ; séance du 16 fé- vrier i 912..
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019120020052300
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diverses, par exemple le tube en verre représenté 1 (1), et qu’on
relie l’appareil à une pompe Gaede, on observe que la lueur se pro-
longe dans ces récipients, où elle s’étend d’autant plus que le vide est plus parfait et le filament plus échauffé ; s’il existe des étrangle-
ments sur le trajet de la lueur, elle les franchit brusquement pour
s’épanouir dans l’espace élargi qui vient à leur suite et sans jamais
former un pinceau défini.
Soumise à l’action d’électrodes portées à des potentiels différents,
cette lueur se comporte comme une masse gazeuse ayant, dans son ensemble, une électrisation négative, c’est-à-dire qu’elle paraît at-
tirée par les charges positives et repoussée par les autres. La fig. 2
montre l’action de deux électrodes dont l’une attire la lueur, tandis
FIG. 2. FIG. 3. l¡
que l’autre la repousse; dans la flg. 3, l’action des deux électrodes est répulsive et la lueur est étranglée et rejetée en avant ou en
arrière de la figure.
L’action d’un champ magnétique ne produit que des modifications
assez confuses; dans le cas représenté fig. i, l’approche d’un aimant,
dans une direction quelconque, a toujours pour effet un raccourcis- sement de la lueur sans qu’on puisse observer de déviation latérale conforme aux lois de l’électromagnétisme.
L’ensemble de ces résultats porte à supposer que la lueur a pour (1) Toutes les photographies données dans cet article ont été obtenues, sur plaques Lumière E, avec trois à dix secondes de pose : elles sont reproduites
sans retouches.
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origine des électrons animés de mouvements incoordonnés qui, par- tant de l’extrémité négative du filament de la lampe, retournent à l’extrémité positive, après avoir parcouru à l’intérieur du récipient
des trajectoires compliquées. En supposant même que ces électrons doivent toute leur vitesse au champ électrique, cette vitesse est amplement suffisante, d’après les mesures de Stark, pour ioniser la vapeur de mercure et la rendre lumineuse.
Il On observe des apparences plus faciles à interpréter en emplo- yant un dispositif analogue à celui qui sert à produire les rayons-
canaux : l’ampoule A d’une lampe à incandescence (fig. 4) commu-
FIG. 4. FIG.
nique avec le récipient B par un tube qui contient en T, soit un fil
de platine enroulé en hélice, soit un cylindre creux de platine qui peut être porté à un potentiel supérieur à celui du filament incan-
descent ; tous les potentiels dont on peut avoir besoin sont pris,
à l’aide de rhéostats appropriés, sur les 220 volts d’une canalisation à courant continu ; on créée ainsi entre le filament de la lampe et T
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un champs électrique accélérateur qu’on peut faire varier à volonté.
Dans ces conditions, et pour un vide suffisant, on voit encore appa-
raitre dans le récipient B la lueur diffuse dont je parlais tout à
l’heure, mais dans cette lueur se dessine un pinceau lumineux beau- coup plus brillant et dont le contour est nettement défini fig. 5) ;
ces effets apparaissent sans qu’il soit nécessaire cle survolter la
larnpe, mais il suffit de légères modifications dans le régime de
cette dernière, ou dans la grandeur du champ accélérateur, pour faire varier notablement les apparences.
’
Flh. 6.
La propriété caractéristique de ce pinceau est son extrême sensi-
bilité à l’action de l’aimant ; la qg. 6 représente les positions de ce pinceau pour deux valeurs du champ égales à ± 1,44 gauss (abs-
traction faite du champ terrestre). Il est facile de concevoir, dans
ces conditions, que le champ terrestre suffise, à lui seul, pour pro- duire une déviation appréciable ; on n’a en effet qu’à se reporter à la fig. 5, où le champ terrestre est seul à agir, pour voir que la cour- bure du pinceau est parfaitement visible.
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Le sens de ces déviations est conforme aux lois de l’électroma-
gnétisme, si on suppose que le pinceau est dû à des électrons éma-
nés du filament et lancés dans le récipient par le champ électrique accélérateur ; mais il était nécessaire de vérifier si ces mêmes lois étaient vérifiées quantitativement. Après un certain nombre d’ex-
périences préliminaires, je me suis arrêté au dispositif suivant, qui
permet des mesures précises. ,
En premier lieu, pour mieux définir le potentiel du filament incan-
descent, j’ai fait construire des lampes à filament gros et court, qui
consomment 100 watts sous une différence de potentiel de 20 volts ; j’ai, de plus, ovalisé l’extrémité inférieure du cylindre métallique
creux placé en T ( fig. 4) ; dans ces conditions, et en réglant conve-
nablement les différences de potentiel, on parvient à un état, d’ail-
leurs assez instable, où la lueur a presque entièrement disparu du récipient B et où le pinceau se dessine très nettement sur le fond
noirci de B; sa longueur atteint alors 15 à 18 centimètres, tandis que
ses dimensions transversales ne dépassent pas 3 ou 4 millimètres ;
le trajet de ce pinceau peut alors être défini avec précision.
Pour le soumettre à un cham p magnétique uniforme et bien défini,
on a construit deux bobines circulaires, de 1 mètre de diamètre,
dont les plans parallèles sont distants de 001, ~O; chacune de ces bo- bines contient vingt spires et le champ X obtenu au centre est donné
en fonction du courant, mesuré par un ampèremètre, par la formule : .-
Une étude préalable du champ, faite à l’aide d’un magnétomètre,
a montré qu’il ne variait pas de plus de 1 de sa valeur dans un
40
rayon de 10 centimètres autour du centre du système formé par les deux bobines ; c’est dans cet espace qu’on place le récipient B où
sont produits les rayons cathodiques ; d’autre part, la table d’expé-
rience a été orientée de telle sorte que la composante horizontale X du magnétisme terrestre soit parallèle au champ X produit par les bobines.
Ce dis positif permet de déterminer simplement et avec une exactitude
suffisante la composante X ; il suffit de placer un magnétomètre au
centre du système des deux bobines et de mesurer l’intensité 1 du courant pour lequel l’aiguille aimantée se retourne bout pour bout et oscille avec la même période que sous l’action du magnétisme ter-
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restre, agissant seul; si ~ est alors le champ produit par le courant
I, on a évidemment :
Trois expériences bien concordantes ont donné X = 0,22 au point
où doit être placé le récipient B.
L’appareil étant ainsi établi, on règle avec soin le voltage L aux
bornes de la lampe (on verra tout à l’heure l’importance de ce ré- glage) et l’excès V de potentiel de T sur le potentiel moyen du
filament, de façon à obtenir un pinceau lumineux aussi nettement défini qu’il est possible, puis on photographie ce pinceau pour diffé- rentes valeurs du champ magnétique; ces photog raphies sont ensuite ramenées, par agrandissement, aux vraies dimensions de l’appareil
et on détermine graphiquement le rayon de courbure R correspon- dant. Voici les résultats obtenus,avec L =20,6 volts, V = i09,7 volts.
La constance du produit R est véririéeà 4 0/0 près, c’est-à-
dire dans les limites de précision qu’on peut espérer; il est donc établi que le pinceau obéit aux lois de l’électromagnétisme; comme, d’autre
. part, les charges électrisées émanées du filament se propagent en
. remontant le champ électrostatique créé parla différence de potentiel V, on a affaire à un rayonnement cathodique. >
La vitesse des électrons peut dès lors être évaluée d’après le rayon
’ de courbure, par l’équation bien connue :
qui donne ici, en prenant pour e la m valeur X 107 donnée par
le
Weiss et Cotton :
" = 5.260 kilomètres par seconde.
529 D’autres mesure, un peu moins précises, ont donné des nombres
compris, suivant le champ accélérateur, entre 2.000 et 6.000 kilo-
mètres par seconde. On a donc affaire à des rayons cathodiques
lents, intermédiaires entre ceux qui se produisent dans les tubes
ordinaires à rayons X et ceux que Lenard, ’B7 ehnelt, etc., ont obtenus, soit par l’action de la lumière ultra-violette, soit au moyen de cathodes à oxydes incandescents.
t
, Il semble possible d’obtenir une seconde mesure de la vitesse, par la différence de potentiel V, en écrivant que :
Ce mode de calcul suppose que les électrons sont émis par le charbon sans vitesse initiale, ce qui est assez vraisemblable, d’après
les expériences de Richardson; si les électrons avaient des vitesses
_ inégales, l’action d’un champ magnétique produirait une dispersion
du pinceau cathodique; or on n’observe aucune trace de dispersion;
il est donc naturel d’admettre que les électrons, ayant tous même vitesse, ont précisément la vitesse due au champ. En acceptant cette
hypothèse, il reste encore une certaine indécision due à ce que tous les points du filament n’étant pas tous au même potentiel, la diffé-
rence de potentiel V n’est pas la même pour tous. Finalement, on trouve, en prenant toujours m e m 1, î7 X 107 :
. 1’2 = 6260 ± 330 kilomètres par seconde.
La moyenne V2 = 6.~60 est la valeur la plus probable parce
qu’elle correspond au milieu du filament, qui est précisément placé
,
à l’orifice du tube T. On voit que cette valeur est notablement
_
.
supérieure à vjj dans des expériences antérieures, mais moins précises, j’avais toiijours trouvé un écart, de même sens, mais beau- coup plus grand (par exemple ri = 2.600 kilomètres par seconde et vz 8.~00 kilomètres par seconde).
Quelle est la cause de cet écart? Il ne faut pas perdre de vue que la vccleur v~ est seule parce qu’elle ne provient que de quan- tités me5urées sans ambiguité. V2 est certainement trop grand, c’est-
à-dire que la vitesse réelle des électrons dans le récipient B est plus petite que celle qu’on peut déduire du champ accélérateur. Ceci ne
peut pas tenir à l’existence d’une vitesse initiale des électrons,
530
puisque cette vitesse s’ajouterait à celle due au champ et qu’on
aurait alors rj > ¿-2: on peut observer, déjà, que les électrons qui
traversent le cylindre T n’ont pas été portés nécessairement au poten-
tiel qu’on maintient sur ce cylindre; mais il y a une autre raison,
dont je vais parler maintenant : elle réside dans l’existence d’un
Cha1J1p électrique antfi joniste dû à la lueur.
III. J’ai étudié, à l’aide d’électrodes en platine fixées en divers , points du récipient B et reliées à un électromètre, la distribution des potentiels à l’intérieur de B ; les résultats obtenus sont souvent
compliqués, mais on peut dégager quelques propositions générales:
Il lueur n’existe dccns A, le tube T ni le récipient 13, le potentiel est partout le même que celui du filaYJient.
Les charges électriques projetées par ce filament agissent donc
comme des égaliseurs de potentiel et, suivant l’expression de Ri- chardson, transforment tout l’espace vide en un bloc conducteur ; ce
résultat était déjà connu ;
2° Lorsqu’il existe une lueur à l’intérieur du recipient, le potentiel
a des valeurs variables d’un point à un autre; en tous cas, Ze poten- tiel à l’intérieur de la est toujours compr’Ís celui du
ment et celui du cylindre T ;
30 Au.x limites de la lueur et de la région on une
variation bî-itsque de potentiel, le potentiel de Zcc lueur étant toujours
le plus élevé. Voici, par exemple, une des séries de résultats obtenus;
les potentiels sont mesurés en volts, à partir du potentiel moyen du filament :
On voit que cette variation brusque, d’ailleurs assez faible, est indépendante de V; en même temps, le tableau des valeurs V, vérifie
la proposition n° 2, énoncée ci-dessus.
Examinons maintenant quelques conséquences de ces résultats : On voit d’abord que la lueur est le siège d’un champ électrique qui émane du cylindre T et qui, par suite, doit retarder la propaga- tion des électrons à l’intérieur du récipient B; c’est précisément
pour réduire au minimum l’action de ce champ antagoniste que,
dans les mesures relatives au paragraphe II, j’ai fait en sorte que la
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lueur disparaisse presque complètemeiit de l’espace B ; le pinceau cathodique avait alors, dans un champ magnétique uniforme, une
courbure constante, ce qui prouve bien que le champ antagoniste
avait presque entièrement disparu de B ; mais il subsistait, en même temps que la lueur, dans l’ampoule A et le tube T, ce qui explique
l’écart entre les valeurs de vj et de v,.
On peut, de la même façon, se rendre compte du phénomène
suivant : une {[u!Jmentation dit voltage L (c’est-à-dire de la te111péra- tare) du filaniojit a pour de ralentir consl’dérablement la vitesse du rayonnenlent cathodique. ’T oici, par exemple, les valeurs du rayon de courbure R produit, dans un champ fixe Je - X = 1,22 gauss et pour une valeur fixe V = 41,5 volts du potentiel accéléra-
teur, lorsqu’on fait varier L : :
Il s’agit donc d’un effet considérable; l’existence d’un champ anta- goniste permet d’en rendre compte : puisque ce champ est dû à
l’ionisation de la vapeur de mercure par les électrons, il est naturel qu’il augmente avec le nombre de ces électrons, c*est-à-dire avec
la température du filament,; ceci montre combien il est nécessaire, dans les mesures précises, de maintenir fixe le voltage du filament
incandescent.
Les propriétés électriques de la lueur expliquent enfin l’insuccès des essais effectués pour dévier le pinceau par l’action d’un champ électrique ; ce pinceau passait, à l’intérieur de B, entre deux larges plateaux parallèles, distants de 3 centimètres, maintenus, l’un au
’
même potentiel que T, l’autre à un potentiel peu différent. Une dif- férence électrique de 1 à 4 volts entre les deux plateaux s’est montrée
sans action sur le pinceau lumineux ; elle aurait dû produire une
forte déviation, si elle avait établi entre ces plateaux un champ uni- forme, mais il est probable, au contraire, que ce champ était localisé
au voisinage immédiat des électrodes, parce que la lueur maintient dans tout l’espace un état électrique qu’on n’est pas maître de mo-
difier à volonté. D’ailleurs, Lenard n’est parvenu à manifester la déviation électrostatique des rayons cathodiques qu’en éliminant les
dernières traces de gaz.
IV. Réflexion des rayons cathodiques. - Divers auteurs parlent
532
couramment de rayons cathodiques réfléchis (’ ) ; mais la lecture de leurs mémoires montre qu’ils ont observé non une réflexion ré-
mais une cathodique diffuse; la méthode que j’em- ploie, qui donne un pinceau cathodique bien délimité et visible sur
tout son parcours, m’a permis de constater ll’existence:d’une réflexion régulière. Si on recourbe à l’aide d’un aimant le pinceau photo- graphié sur la fig. 5, on le voit ( fig. 7 et 8) qui se réfléchit plusieurs
FIG. 7. FIG. 8. _
fois sur la paroi de verre; j’ai pu observer ainsi jusqu’à quatre réflexions successives; la réflexion est également visible dans la fig. 5, sur le pinceau non recourbé par un aimant.
Cette propriété établit une différence marquée entre les rayons
cathodiques à grande vitesse, qui pénètrent sans se réfléchir et les
rayons plus lents, qui se réfléchissent sans pénétrer ; c’est sans
(1) E. MERHIT, Physic. 1898, t. II, p. 2i7 : -. WILLIAMS1 Plzysic.
1906, t. XXII I, p. 1 ; It-BEYER1 Zeitschr., niars 1909, p. 168 et 176; GEHRTS, Annal. d. pliysili, 19il, 4" série, t. XXXVI, p. 994.
’
,
"
533 doute à cette différence que ces derniers rayons doivent de ne pas provoquer la fluorescence, au moins dans les conditions où j’ai opéré(’) ; je me suis assuré égalernent qu’ils ne donnent pas de rayons X assez pénétrants pour traverser une paroi mince de verre
ou de cristal.
Mais, si la réflexion des rayons cathodiques lents est un fait in- déniable, l’explication en est malaisée; il paraît improbable qu’une
réflexion régulière puisse résulter d’un simple rebondissement des électrons contre une paroi solide; il m’a paru naturel d’attribuer cet effet à une action électrostatique, c’est-à-dire à une répulsion des pa- rois, électrisées négativement, du récipient ; pour contrôler cette
hypothèse, j’ai placé à l’intérieur de B une large plaque d’aluminium
,
’
FIG. 9.
’ reliée électriquement à T, c’est-à-dire portée au potentiel le plus
élevé qui existe dans l’appareil ; dans ces conditions, s’il existe un
champ électrique à la surface de l’aluminium, il doit être dirigé vers l’extérieur, c’est-à-dire qne son action s’oppose au rebondissement des électrons ; la fig. 9 montre que la rétlexion du pinceau se
fait aussi nettement contre cette lame que contre la paroi de verre. -
(1) On observe, il est vrai, une fluorescence bleue des parois en cristal du réci-
pient, mais elle est indépendante de la position du pinceau cathodique ; elle
’ paraît due exclusivement à la lumière ultra-violette produite par la vapeur de 4 mercure ; elle serait donc un effet secondaire, et non un effet direct des électrons.
534
Il faut donc renoncer à cettehypothèse ; pourtant il arrive parfois que la réflexion se fasse sur la surface de séparation de la lueur et de la
région obscure, comme sur une paroi solide, et cette constatation
ne paraît guère favorable à l’hypothèse d’un rebondissement des élec- trons. D’autre part, il existe une dépendance étroite entre l’exis-
tence de la lueur et la possibilité d’une réflexion : quand la lueur est
FiG. 10.
absente, la réflexion n’existe plus 10) ; il est vrai qu’on peut aussi bien exprimer cette dépendance en disant que la lueur est cons-
tituée par les ré flexions successives du pinceau; quand ce pinceau
cesse de se réfléchir (ce qui parait avoir lieu pour des valeurs élevées de sa vitesse), la lueur cesse par là même d’exister. Toutes
ces conditions, indiquées par l’expérience, sont pour le moment dif- ficiles à concilier.
