La cohésion diélectrique des gaz

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Submitted on 1 Jan 1903

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La cohésion diélectrique des gaz

E. Bouty

To cite this version:

E. Bouty. La cohésion diélectrique des gaz. J. Phys. Theor. Appl., 1903, 2 (1), pp.401-434.

�10.1051/jphystap:019030020040100�. �jpa-00240770�

401

LA COHÉSION DIÉLECTRIQUE DES GAZ;

Par M. E. BOUTY (1).

HISTORIQUE.

1. Pour caractériser pleinement ^{un gaz au} point ^{de vue de ses} propriétés diélectriques, ^{il ne suffit} évidemment pas d’avoir ^mesuré

sa constante diélectrique. ^{Il faut encore} connaitre les limites entre les-

quelles ^le pouvoir diélectrique peut ^subsister.

En 1837, Faraday (2) ^écrivait déjà :

Tous les effets qui précèdent

la décharge ^sont inductifs ; ^{et le} degré de tension nécessaire pour que l’étincelle passe est, ^au point ^{de vue où} j’envisage l’induction,

un point ^très important. C’est là limite de l’influence que le diélec- trique ^exerce pour résister à la décharge. C’est donc une mesure du

pouvoir conservateur du diélectrique, qui, ^{à son tour,} peut ^être

considéré ^comme une mesure et une représentation des forces élec-

triques ^{en activité.}

Faraday (1) fut ainsi conduit à comparer les divers gaz ^au point

de ^vue des distances explosives. ^{A cet effet, il employait deux}

micromètres à boules qu’il plaçait, ^en dérivation, ^{l’un à l’air} libre,

l’autre dans une cloche contenant le gaz ^à étudier, ^{soit à la} pression ordinaire, ^{soit à basse} pression. Il écartait les boules placées ^dans

l’air jusqu’à ^ce que la décharge passât indifféremment dans l’un ou

°

l’autre micromètre. Plus le gaz de la cloche ^est susceptible ^d’isoler

une charge considérable, c’est-à-dire plus ^est grand ^le champ que

peut supporter le gaz ^sans livrer passage ^à l’étincelle, plus ^les

boules placées ^à l’air doivent être écartées.

En vertu de circonstances accessoires parmi lesquelles Faraday (~~) signale déjà l’influence des poussières, l’électrisation irrégulière

des parois ^{de la cloche à} gaz, l’effet d’étincelles antérieures, l’expé-

,

(1) ^{Ce mémoire} développe ^et remplace, ^au point ^{de vue} des i-ésultats définitif

et des conclusions, les notes suivantes aux C. R. de CAcadérnie des Sciences cle 1899 à 1903: cohésion diélectiique des gaz t. CXXIX, p. 204;

1899 ; ^colaésion diélecl1’ique des gaz, t. CXXXI, p. 443 j 1900;

^t. CXXXIII,

p. 213 ; ~.901;

^{et t.} CXXXVI, p. 40 ; 1903 ;

^Cohésion diéleetî-iqîie ^et champs explosi fs, ^{t. CXXXI, p. 469; 1900.}

(2) FARADAY, Exp. Res., série XII, ~ ^1342.

(3) Ibid., ~ 1381 à 1393.

(4) Ibid., ~ ^{1391 et 1392.}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019030020040100

402

rience ^ne comporte qu’une précision fort médiocre. Toutefois Fara-

day ^classe les gaz dans l’ordre suivant, du moins isolant ^au plus

isol ant :

Hydrogène, gaz d’éclairage, oxygène, ^{azote, acide} carbonique, éthylène, ^acide chlorhydrique.

2. Comme Faraday, ^{Maxwell attache au} pouvoir d’isolement des gaz ^une importance capitale. D’après ^{lui, un} gaz ^ne peut ^livrer

passage ^à la décharge électrique que ^{si le} champ électrostatique ^au- quel ^{il est soumis} dépasse ^une certaine limite critique. ^{Cette valeur} critique ^du champ mesure une qualité ^du gaz que Maxwell désigne

sous le nom de electrical strength.

Malheureusement les meilleures expériences ^sur les distances explo-

sives présentent ^{entre elles des} divergences telles que M. J.-J. Tham-

son (‘-’), ^{dans un livre} remarquable ,où ^les propriétés électriques ^des

gaz ^sont examinées en détail et auquel je renvoie le lecteur, ^semble

tout prêt ^à abandonner la notion de l’electrical sl1’ength ^comme par

trop éloignée ^{des réalités} expérimentales.

Il _y a cependant lieu d’examiner si les complications que l’on

.

observe ^ne tiennent pas, ^au moins en partie, ^aux conditions spé-

ciales à la production de l’étincelle électrique. Des recherches récentes, ^notamment celles de MM. Schuster et Hemsalech (3), ^éta-

blissent que l’étincelle ^a une constitution fort complexe, ^variable

avec la nature des électrodes, ^la capacité ^et la self-induction du

.

circuit. Les raies du métal des électrodes apparaissent conjointe-

ment avec celles du gaz, ^et dans des proportions différentes soit dans le trait de feu, ^{soit dans} l’auréole. On conçoit que la différence de potentiel nécessaire pour provoquer l’étincelle reflète, ^en quelque

manière, ^{toutes ces} complications.

3. Dans un mémoire récent ( ~), j’ai établi que, quand ^{un tube à}

gaz ^sans électrodes est placé ^{dans un} champ électrique ^uniforme,,

entre les armatures d’un condensateur, ^il y ^{a une} valeur critique ^du champ au-dessous de laquelle ^le gaz isole, tandis que, pour ^toute valeur supérieure, le gaz livre passage ^à l’électricité. J’avais proposé

(1) MAXWELL, Tnctilé d’élecll’icilé et de »ifi,fi>iélisiize, ^t. 1, ^51.

(2 ) J.-J . ^Reeent Resea¡’ches on Elecl1’icily ^and lYagnelisrn, ^ch. ti, ~ ^{46 à 48.}

HEMSALKCH, Rec-he»cfies e.J:péJ’imentales ^les d’étincelles,

thèse de la Faculté de Paris, ^1901.

(4) ^{E. BOCTY, les Ga=} sont-ils des électrolytes? (J. ^{de 3e} série,

t. !, p. ^10: 10 .

’

403 de prendre ^ce champ pour ^{mesure de ce} que j’ai appelé la cohé8ion

diélectrique du gaz.

L’idée que j’avais ^voulu traduire par ^cette expression nouvelle est,

on le voit, identique ^à celle que Faraday ^{et Maxwell} attachaient à l’electrical sirengllz. ^Cohésion diélectrique ^est donc le synonynle

français ^de electrical strength ^et de l’allemand elektrische Festigkeit,

à cela près que ^mes expériences ^se rapportent ^{non au} passage ^de

l’étincelle, ^{mais à} celui de l’effluve. Exemptes ^{des causes de} compli-

cation qu’entraine l’usage d’électrodes métalliques, ^elles peuvent, toutefois, ^en présenter ^de nouvelles, ^{liées aux} propriétés électriques

de la paroi isolante. Il sera nécessaire d’étudier de très près l’influence

de cette paroi.

L’effluve a jusqu’ici beaucoup ^moins préoccupé ^les physiciens que l’étincelle. Ses propriétés physiques ^sont pour ainsi dire inconnues.

On sait seulement que les chimistes demandent ^à l’effluve des réac- tions spéciales que l’étincelle ^ne saurait produire, ^{sans doute à}

cause des températures élevées que celle-ci développe ^{sur son} trajet.

L’objet du mémoire actuel est une première étude des lois qui régissent la cohésion diélectrique ^{et la} production de l’effluve.

CHAPITRE 1.

METHODES ET APPAREILS DE MESURE.

4. Le ballon plat ^contenant le gaz ^sur lequel j*opère peut ^venir s’insérer, ^{sans les} toucher, ^{entre les armatures} d’un condensateur à

plateaux métalliques, séparés par des cales isolantes. Il n’occupe

que ^la partie ^{centrale, où le} champ peut ^{être considéré comme très}

sensiblement uniforme (’ ~ .

Le procédé ^le plus commode pour reconnaître si de l’électricité tra-

verse le gaz ^du ballon, quand ^on charge ^ou quand ^on décharge ^le condensateur, consiste dans l’observation de la lueur d’effluve. Cette

observation, qui peut rendre les plus précieux ^{services et dont} j’ai

fait largement usage, serait cependant insuffisante, si elle n’était con-

(1) La distance des armatures aux parois du ballon doit être suffisante pour que l’air à la pression atmosphérique, situé dans l’intervalle, ^{ne livre} jamais passage à de l’électricité, ^même quand ^le champ critique, ^{relatif au} gaz raréfié du ballon,

se trouve assez largement dépassé. ^En général, ² à 4 millimètres suffisent.

trôlée par des méthodes purement électriques d’observation; car, tout au moins depuis la découverte des rayons X ^et des rayons de

Becquerel, ^on sait que de l’électricité peut, dans certaines condi-

tions, ^{traverser un} _gaz ^sans l’illuminer. D’ailleurs les lueurs d’ef- fluve sont plus ^{ou moins} brillantes suivant la nature du gaz, ^et quel- quefois peuvent ^{se trouver} trop faibles pour impressionner ^sûrement

la rétine.

5. Les méthodes électriques que j’ai employées reviennent toujours

à reconnaître si la présence ^{du ballon à} gaz modifie ^{ou non} la capa- cité du condensateur entre les plateaux duquel ^{on le} place. ^{Si la}

cohésion diélectrique ^{est vaincue et} qu’une quantité quelconque

d’électricité traverse le gaz du ballon pour ^se rendre sur les parois internes, ^{tout se} _passe ^{comme si un} corps conducteur de volume

égal ^au volume intérieur du ballon était placé ^{entre les armatures,}

et la capacité du condensateur augmente. ^{C’est cette} augmentation qu’il s’agit ^{de constater.}

6. Conden.sateur.

Le condensateur doit avoir une capacité par- faitement définie et invariable, ^mais qu’il ^est inutile de connaître exactement. Il est formé de deux plateaux circulaires munis de

godets ^{à mercure} qui ^servent pour la charge ^{et la} décharge. ^Le plateau inférieur, de diamètre un peu plus grand, ^{déborde, et les} godets ^sont placés près ^{des bords.}

Ces godets ^{ne sont} pas entièrement pleins ^{de mercure. La} charge

et la décharge, effectuées à l’aide de tiges ^T, T’ en relation avec les sources ou avec le circuit de décharge, ^se produisent ^ainsi par l’in- térieur des conducteurs, ^{dans une} région ^où la densité électrique ^est

sensiblement nulle. Les changements accidentels de forme du

ménisque, à l’instant où les tiges T, ^T’ pénètrent ^{dans les} godets ^ou

les abandonnent, ^ne peuvent donc modifier la capacité ^{du con-}

densateur (~ ) .

Dans les expériences ^{où l’on veut} observer des effluves, ^on pour- rait être induit en erreur par de la lumière réfléchie provenant ^des

étincelles de charge, ^{si on} n’avait la précaution d’environner l’ex- trémité des tiges T, T’ par des ^sortes d’éteignoirs ^en ébonite, ^de

diamètre supérieur ^{à celui des} godets qu’ils ^{viennent recouvrir avant}

que l’étincelle n’éclate.

(1) ^Cette précaution ^est absolument indispensable. ^{Si on la} néglige, ^{on s’ex-}

pose ^à n’obtenir clue ^des résultats incohérents.

405

.

Le condensateur est placé ^à l’intérieur d’une grande ^{boîte en laiton}

en communication avec le sol. Les tiges ^{T, T’,} soigneusement isolées,

sont manoeuvrées de l’extérieur par ^un système automatique. ^La

boîte de laiton est portée par ^un chariot roulant sur des rails de bois. Une ouverture ménagée pour laisser passer le ballon sert aussi pour l’observation des effluves. En ^{ce cas,} la salle doit être dans l’obscurité la plus complète ; ^l’oeil, placé ^au voisinage de l’orifice et

préalablement ^{habitué à} l’obscurité, parvient ^{alors à} discerner des lueurs extraordinairement faibles.

’ï. Tubes à gaz.

Le ballon sur lequel ^on opère ^est mastiqué ^ou

soudé à l’extrémité d’un tube à robinets qui permet ^{de mettre le}

ballon en relation soit avec le générateur de gaz, soit ^avec la pompe à mercure ou avec les appareils ^{destinés à la mesure de la} pression.

8. Mesure de la pression.

^{Pour mesurer la} pression, je ^fais

usage, suivant le ^cas, d’un double baromètre de M. Leduc, ^observé

au cathétomètre, ^{ou d’une} jauge de Mac-Leod. Ces deux appareils

ont été construits par M. Chabaud.

L’étude de la jauge ^m’a prouvé que, quand ^le gaz ^est rigoureu-

sement sec, il n’y ^{a aucune erreur} systématique provenant ^{de la} graduation. La valeur calculée de la pression demeure la même à moins de un millième de millimètre près, quelle que soit la division de la jauge ^à laquelle ^on fait affleurer le mercure (~).

La comparaison du baromètre et de la jauge, dans les limites où l’on peut employer simultanément les deux appareils, ^{n’a révélé}

non plus ^aucune différence systématique. ^On peut admettre respec- tivement un vingtième ^{et un} millième de millimètre comme limites d’exactitude des mesures. Rappelons d’ailleurs que les ^{mesures à} la

jauge supposent ^la loi de Mariotte correcte dans les limites des observations.

9. Source d’électricité.

Comme source d’électricité, j’ai toujours employé ^de petits accumulateurs genre Planté, construits ^au labora- toire. La batterie comprend actuellement 169 boîtes, chacune de 45 ac-

cumulateurs, donnant, ^{suivant l’état de} charge, ^une force électromo- trice disponible ^de 15000 à 16500 volts. Pour charger ^{les boîtes, on}

les met en parallèle ^{sur le réseau du secteur. Un} commutateur à (1) ^{Il n’en est} plus de même si le gaz contient la rnoindre trace d’humidité. Il

peut arriver alors que, par la compression, la vapeur devienne saturante dans la

jauge ; ^la pression ^mesurée est, ^{en ce} cas, d’autant plus ^faible qu’on ^{a réduit}

davantage le volume initial.

godets ^{de mercure} noyés ^{dans de la} paraffine permet d’opérer ^sans danger ^tous les groupages. L’une des boites ^est divisée en trois

parties. ^On peut donc faire varier le voltage par accroissements de 33 volts environ. Il est prudent ^de placer dans le circuit une très

grande résistance liquide.

10. l1:lesure de la différence ^de potentiel.

La différence de

potentiel ^{fournie par ces} petits accumulateurs varie très régulière-

ment en proportion ^de leur nombre. Pour la _mesurer, je ^fractionne

la batterie autant qu’il ^est nécessaire, ^et je fais usage de voltmètres

électrostatiques ^{de M.} Carpentier, gradués ^de 4500 à 3000 volts.

Cet étalonnage de la batterie est effectué immédiatement après chaque ^{mesure de} champ critique.

11. l1!lesure du champ. - ^{Dans la} région qui ^sera occupée par le ballon à gaz, le champ électrique ^s’écarte peu ^{de la} valeur limite,

obtenue en divisant la différence de potentiel ^des plateaux par leur distance. Ce dernier élément se mesure avec une exactitude suffisante en déterminant, ^à l’aide d’un bon palmer, l’épaisseur ^des

cales d’ébonite qui supportent ^le plateau supérieur.

12. des bords du condensaleur.

La valeur du champ ^que

nous adoptons ^{ne serait} rigoureusement ^correcte que ^si la distance d des plateaux était infiniment petite par rapport ^à leur distance D. Or,

dans mes expériences, ^le rapport d _D ^{a varié de 0,094 à 0,203. Le} champ

doit donc être ^un peu plus ^{intense au} voisinage ^{immédiat des} plateaux qu’au milieu de leur distance. Le champ moyen dans l’espace occupé

par le ballon ^{sera un} peu inférieur ^au champ ^limite.

Tout calcul, ^{à cet} égard, m’ayant paru illusoire, je ^{me suis borné}

a fixer l’ordre de grandeur de la correction par l’expérience ^{suivante :}

Un même ballon de 2cm,4 d’épaisseur ^{maximum a été} employé ^avec

deux condensateurs dont les plateaux ^{étaient à une même} distance de 3 centimètres, mais dont les diamètres étaient respectivement ^{de 16}

et de 32 centimètres. Avec le grand condensateur d = 0,094), ^les

champs critiques ^ont paru réduits de 3,5 0/0 par rapport ^aux champs critiques ^{évalués avec le} petit G5 = (D ^0,188).

13. Influence ^{de la} paroi ^{sur le} champ intérieur.

Le champ ^-C’

évalué hors de la présence ^{du ballon n’est} pas rigoureusement

égal ^au champ ^C qui agira ^sur le gaz ^en expérience> ^{même __si}

407 la paroi ^{du ballon est un} diélectrique parfait. ^{Si l’on} supposait ^ce diélectrique ^limité intérieurement et extérieurement par deux sphères concentriques, ^le champ ^{C serait} constant, ^{mais inférieur au} champ ^C’.

Quand l’épaisseur ^{e des} parois ^est petite par rapport ^{au rayon} R, ^le

facteur de réduction C c ^{peut se mettre sous la}

k est la constante diélectrique ^{de la matière du ballon.} Supposons-la égale ^à 2,25, ^carré de l’indice du verre. On a alors :

f. ^e l

,i ^{i 1}

l

’

en faisant e ^égal successivement ^à

1 Ü,, ^{on trouve que la cor-}

rection atteint respectivement 1,5, ^{3 on} 4,5 0/0.

Toutefois on ne peut songer ^{à tenter une} telle correction, car, si’,

-d’une part, ^{on ne connaît} pas la valeur ^exacte de la constante d iéled- trique ^à adopter, ^d’autre part ^on peut ^encore bien moins considérer la forme du diélectrique ^{solide comme} géométriquement ^{définie. Non}

seulement le champ à l’intérieur du ballon ne ‘peut ^{être connu à}

1 0/0 près, ^{mais on n’a même} pas le droit de considérer ce champ

comme rigoureusement uniforme : le champ critique pourra ^être très légèrement dépassé ^{dans une} région du ballon avant d’être atteint dans une autre. Il doit en résulter, ^{et l’on constate effective-}

ment qu’il~ en ^résulte parfois, ^au voisinage ^{de la} paroi, des effluves locales et partielles, précédant ^{et annonçant de très} près ^l’effluve

uniforme qui intéresse la masse entière du gaz. Au lieu d’un champ critique ^{réduit à un} point, il y ^aura donc une sorte de zone critique embrassant ^{une variation} petite, ^mais appréciable, ^du champ.

On atténue ces inconvénients en faisant usage de ballons ^aussi

réguliers que possible ^{et dont les} parois, qui ^doivent supporter, ^sans

se déformer sensiblement, ^la pression atmosphérique extérieure, ^aient

la plus petite épaisseur compatible ^{avec cette condition.}

Au -reste, la double cause d’erreur provenant de l’efi’et des bords

=>

.

(1) ^{Voir Trailé} d’élech’icité, t. L p.ii8.

du condensateur et de l’action diélectrique ^des parois ^{est sans in-}

fluence sur les mesures comparatives e ffectuées ^avec le même conden- sateur et le même ballon, ^{dans une situation} relative invariable.

L*ignorance ^{de la valeur} précise du facteur de correction ne sera

donc pas ^un obstacle à la découverte des lois qu’il ^nous importe ^le plus ^{de connaître.}

. Comparaison ^des capacités.

^Les capacités ^{de mes conden-}

sateurs sont de l’ordre du cent millième de microfarad. Si l’on

décharge le condensateur sur un microfarad auxiliaire, ^{la différence}

de potentiel s’abaissera de quelques milliers de volts à quelques

centièmes de volt, ^{et l’on se trouvera dans les} conditions convenables pour l’emploi de l’électromètre capillaire.

La charge ^reçue par le microfarad ^est pratiquement égale ^{à celle}

que possédait le condensateur. On pourrait l’évaluer par ^une méthode

balistique, ^dont j’ai quelquefois fait usage ^au début de ces recherches;

mais il est préférable, ^{à tous} égards, ^{d’avoir recours à une méthode de}

zéro.

A cet effet, ^on charge d’avance le microfarad M en sens contraire du condensateur A de l’expérience ^à l’aide d’une dérivation conve-

nable prise ^sur le circuit d’un élément Daniell. Par quelques ^tâton-

nements, ^{on arrive à} régler la dérivation de telle sorte que, le ballon étant éloigné ^du condensateur A, ^la décharge de M laisse l’élec- tromètre au zéro. Donnant alors à M la même charge que dans

l’expérience précédente, ^on charge ^{A en} présence ^{du ballon; on ra-}

mène le chariot en arrière et on décharge ^{A sur M.} Déchargeant

enfin M sur l’électromètre, ^{on constate} que le ^{mercure reste au zéro}

ou est chassé hors du champ, suivant que la capacité du conden- sateur A est demeurée invariable ou qu’elle ^a augmenté, c’est-à-dire suivant que le champ employé était inférieur ou supérieur ^au champ critique qu’il s’agit de déterminer.

15. Complications ^{arnenées par} la paroi.

^L2Geurns d’effluve.

Normalement, quand ^le champ critique ^est dépassé, ^et que ^{l’on dé-}

charge le condensateur A en présence ^du ballon, les électricités con-

traires libérées sur les parois ^{de verre au moment de la} charge ^se recombinent, ^{et ces} parois, aussi bien que les ^armatures du conden- sateur, retournent à l’état neutre. L’expérience ^{montre toutefois} qu’il ^{n’en est} ainsi que si le champ critique ^{a été} largement dépassé.

Dans le cas contraire, ^les parois ^{du ballon} retiennent, ^{avec une éner-}

gie parfois surprenante, ^les charges ^{libérées à} leur surface. Alors,

409

quand ^on essaie de décharger le condensateur A en présence ^du ballon, le condensateur ne perd que la charge ^normale correspondant

à sa capacité primitive : l’excès d’électricité appelé ^{sur les armatures}

par l’influence des charges ^{libérées est retenu} par la ^même influence.

Si donc on négligeait ^{de ramener le} condensateur A en arrière pour le décharger, l’électromètre demeurerait au zéro et on aurait dépassé

le champ critique ^{sans s’en} apercevoir. L’erreur serait particulièrement

grave ^aux pressions ^très basses, ^{et l’on} pourrait ^{être conduit à attri-}

buer au champ critique ^{une valeur très} supérieure ^{à sa valeur nor-}

male.

Si l’on observe les lueurs d’effluve, ^on constate, ^{dans ces condi-} tions, que le gaz, qui ^{s’est illuminé} plus ^{ou moins} faiblement à l’instant de la charge ^du condensateur, ^reste parfaitement ^{obscur à}

la décharge. ^Au contraire, quand ^le champ critique ^est largement dépassé, les lueurs de charge ^{et de} décharge ^{sont à} peu près égale-

ment brillantes.

Ces lueurs remplissent entièrement le ballon. Elles ont l’apparence

et la durée d’un éclair (~). Le passage de l’électricité ^{à travers} le gaz est donc un phénomène instantané; par suite, ^{il est} vraisemblable que la ^constante diélectrique qu’il faudrait attribuer au ballon, pour le calcul de la correction des champs, coïnciderait bien avec le carré de l’indice, comme nous l’avons supposé ^ci-dessus.

16. Méthode des résidus.

L’adhérence des charges ^aux parois,

au voisinage immédiat du champ critique, ^{est un} phénomène ^si régu-

lier qu’on ^en peut ^{tirer une} excellente méthode pour la détermina- tion des champs critiques. Cette méthode consiste à charger ^{le con-}

densateur A en présence ^{du ballon, à le mettre en} court-circuit dans la même situation, ^{enfin à le ramener en arrière et à le} décharger

(1) Parfois, ^au voisinage immédiat du champ critique, ^{la lueur d’effluve est en} retard d’une manière très appréciable par rapport à l’étincelle de charge. ^{La va-}

leur du champ ^{intérieur au} ballon, pour ^un champ ^extérieur fixe, ^{est donc sus-} ceptible ^{de varier} légèrement ^{avec le} temps, c’est-à-dire que le ^verre du ballon

ne peut ^être assimilé à un diélectrique parfait.

Le retard d’effluve donne la clé d’un phénomène ^bizarre qui ^{m’avait vivement} surpris ^{au début de ces} recherches. Si l’on déchargeait le condensateur A sur le microfarad en présence ^{du ballon,} il arrivait parfois que la capacité ^de A, ^{au voi-} sinage immédiat du champ critique, paraissait être diminuée au lieu d’être aug- mentée. Si, ^en effet, ^{il se} produit ^{un retard} d’effluve, le condensateur A ne reçoit

que ^sa charge ^normale Q ; à l’instant où l’effluve se produit, ^{A étant} déjà séparé

de la source, ^une quantité d’électricité

g traverse le gaz du ballon et demeure

adhérente aux parois. Elle maintient sur les armatures de A une charge + q, et

le microfarad ne reçoit que Q - q ^au lieu de Q.

410

sur le microfarad M. Si le champ critique ^n’a pas ^été atteint, ^{A a} été entièrement déchargé ^du premier coup : il ^ne peut ^rien céder par

,une seconde décharge; mais, ^{si le} champ critique ^{a été} légèrement dépassé, ^la charge résiduelle maintenue sur A en présence ^{du ballon}

redevient libre dès qu’on ^{ramène A en arrière ;} le microfarad se

charge ^et l’électromètre dévie.

Cette méthode des résidus fournit des résultats très nets, ^et par- faitement d’accord avec ceux que l’on obtient par =la comparaison ^des

-capacités.

17..Méthocle cles effluves.

Cette dernière méthode n’a besoin d’aucun commentaire. A priori, ^elle pourrait ^{conduire à} des valeurs

trop ^{fortes du} champ critique, jamais ^à des valeurs trop ^faibles.

L’expérience ^{m’a montré} qu’avec ^la plupart des gaz le procédé

d’observation des effluves est au moins aussi sensible que ^{les mé-}

.

thodes électriques, ^et qu’il fournit pour le champ critique ^{des valeurs}

absolument correctes, pourvu que gazeuse

emprisonnée par le ballon ^soit suffisante. ^j

18,. Précaattions indispensables.

Quand ^on fait usage des ^mé¡..

thodes électriques, ^{il est} indispensable que les parois ^{du ballon}

soient dépourvues ^de toute trace de conductibilité. Il faut pour ^cela

que le gaz introduit dans le ballon soit ^sec, mais surtout _que là surface externe du diélectrique ^soit protégée ^contre les moindres traces d’humidité. Des capsules pleines ^d’acide sulfurique ^concentré

maintiennent autour du condensateur A une atmosphère ^{très sèche~.}

D’ailleurs la surface extérieure du ballon est recouverte d’une mince -couche de paraffine, qu’on fera bien de renouveler avant chaque ^mesurer

Le passage ^d’une première ^{effluve à travers le} gaz du ballon y produit ^une modification telle qu’une deuxième effluve le traverse ensuite bien plus facilement. Mais nous avons surtout à nous préoc-

cuper de l’effet persistant ^des charges adhérentes aux parois ^{de verre.}

Cet effet est de diminuer l’action du champ ^{extérieur ou de} l’aug-

menter, suivant que ^ce champ ^{est de même sens ou de sens} contraire ^à

celui qui ^a déterminé le passage de la première ^effluve. Aussi, quand

une effluve a passé, ^est-on certain d’en produire ^une plus ^{intense en}

renversant aussitôt le sens de la charge ^du condensateur(’). ^Si l~

(1) On pourrait ^même abaisser considérablement la différence de potentiel ^cor- respondant ^{à cette} charge inverse, ^sans que l’effluve cessàt d’être visible au ^mo- ment de la charge. ^{Dans certains} cas, la différence de potentiel ^a pu ainsi être

réduite presque à moitié.

411

première ^avait passé inaperçue, la seconde ^ne peut guère manquer d’être appréciable.

Il convient donc d’alterner les essais en commençant _{par des} champs

trop ^{faibles et en} renversant au moins une fois le ^sens de la charge

du condensateur pour chaque différence de potentiel essayée.

Quand une mesure est acquise, ^{on doit, avant} d’en réaliser une

autre, _provoquer ^la disparition complète ^des charges adliérentes

ou des modifications, plus ^{ou moins durables,} qu’elles produisent

dans la couche superficielle interne du ^verre. Un repos prolongé, ^de vingt-quatre ^heures par exemple, ^est tou,jours suflisant. On abrège beaucoup ^{ce délai en} portant le ballon d’uue manière prolongée ^{à la} température ^de 9 ~0°, ^ce qu’on ^{fait en} l’arrosant avec de la paraffine fondue, maintenue à cette température ; ^on peut aussi faire le vide 10 plus complet possible ^à l’intérieur du ballon et laisser rentrer de

nouveau le gaz. Grâce ^{à ces} précautions minutieuses, ^toute irrégu-

larité des mesures est sûrement écartée; c’est-à-dire que deux mesures, réalisées avec le même gaz ^à la même pression, ^donneront

des valeurs du champ critique égales ^{à moins de 10} volts par ^cen- timètre près, ^ce qui, pour les plus ^hautes pressions employées ^dans

mes mesures, correspond ^à une erreur relative de l’ordre de 1/~50~.

Si, pour gagner du temps, ^{on vient à} négliger ^ces précautions, ^il

ne faudra pas ^être surpris ^{de trouver} parfois ^{entre les mesures}

des écarts de l’ordre du ~;10e de leur valeur.

19. Correction de température.

Pour rendre les expériences rigoureusement comparables ^{entre elles, il serait} indispensable ^de

les exécuter toutes à la même température.

En fait, ^la température ^du laboratoire ne s’est guère ^{écartée de} plus ^de quatre ^à cinq degrés ^de part ^ou d’autre de la température

moyenne de ^{17° à} laquelle je rapporte ^tous les résultats.

L’étude de l’influence de la température exige ^un dispositif spécial qui ^n’a pas ^{encore été mis en} oeuvre..l’ai admis provisoirement que la du critique dépend seulement de la densité du et j’ai ^{réduit tous mes} nombres à ~.7°, ^en réduisant la pression

observée à ce qu’elle serait si le gaz était ramené ^{à f 7°.} Cette correc-

tion s’est toujours ^montrée suifisante,c’est-à-dire qu’il ^{m’a été} impos-

sible de mettre en évidence une erreur systématique quelconque pouvant être attribuée à l’effet de la température.

20., Pureté des gaz.

pompe ^{à mercure} était disposée ^de façon

que ^l’on pût recueillir les gaz extraits de l’appareil. Autant que

possible, ^on s’est astreint à vérifier la pureté ^de chaque gaz cz ^{sa sortie,}

pour ^{se mettre à} l’abri des fuites qui auraient pu ^se produire par les

masticages ^{ou les} robinets, ^{au cours} d’expériences ^{dont la durée}

moyenne était de quatre ^à cinq jours.

CHAPITRE H.

LOIS EXPÉRIMENTALES.

~1. Quelle que soit la méthode de ^mesure employée, la fixation du champ critique ^aux pressions ^élevées présente peu de difficulté réelle.

Il n’en est pas de ^{même aux} pressions ^{très basses : Dans une} région ^{d’étendue notable, on est en droit} d’hésiter, ^{tant sont}

faibles et irrégulières ^les variations de capacité ^ou les effluves que l’on observe. Tandis qu’à ^haute pression ^l’effluve acquiert toujours plus d’intensité quand ^{on renverse le sens de la} charge ^{du con-}

densateur après le passage d’une première effluve, il arrive généra- lement, ^{à très basse} pression, qu’une première effluve n’est suivie d’au-

cune autre, malgré les renversements de signe ^{de la} charge, ^{à moins} qu’on n’augmente ^très sensiblement la différence de potentiel ^des

armatures du condensateur.

Les nombres publiés ^{dans ce mémoire se} rapportent ^{à la} plus ^faible

différence de potentiel pour laquelle ^{il a été} possible ^d’observer quelque signe ^certain d’un passage d’électricité à travers le gaz, pour si insignifiant ^{et si} fugiti f qtt’il czit pu être.

22. J’indiquerai ^{d’abord, à titre} d’exemple, les résultats complets

de quelques ^{séries de mesures réalisées avec un ballon} plat d’un peu moins de 9 centimètres de diamètre équatorial ^{et de} 5tm,6 d’épaisseur

maximum. Elles ont été obtenues par la méthode des effluves.

La pression ^{est évaluée en} centimètres de _{mercure ;} le champ, ^en

volts par centimètre. Je rappelle que la valeur adoptée pour le champ

est le quotient brut de la différence de potentiel ^{des armatures du}

condensateur par leur distance, qui était ici de 6~,5. Le diamètre des armatures était de 32 centimètres pour l’armature supérieure,

de 35 centimètres pour l’armature inférieure.

.

La troisième colonne contient les valeurs du champ critique

calculé à l’aide d’une formule empirique que je ^{donne à la suite}

de chaque ^tableau.

413 23. Hydrogène. - ^Je choisirai, ^comme premier exemple, ^des

m esures relatives à l’hydrogène.

Les nombres imprimés ^en chiffres gras, dans ^ce tableau, ^{ont été}

déterminés huit mois après ^{les autres et avec toutes les} précautions signalées ^{à la fin du} premier chapitre. La formule empirique (1) ^avait

été déduite exclusivement des premières ^{mesures. On voit} qu’elle

représente les dernières avec une approximation plus grande ^encore, puisque ^la différence des nombres calculés et observés n’atteint en

moyenne, pour ^ces six _mesures, qu’environ ^{9 volts, et} que le plus grand ^{écart ne} dépasse pas ^19. Un tel contrôle ne laissera pas de doute sur le degré ^de précision que peuvent comporter ^{les mesures,}

(1) Préparé par le zinc et l’acide chlorhydrique purs : à ^sa sortie de l’appareil,

le gaz ^ne contenait pas de traces d’air appréciables par l’elmploi ^{de l’acide} pyro-

gallique ^{et de la} potasse.

414

non plus que ^sur la fidélité avec laquelle la formule les représente.

La formule (1) comprend ^{deux termes. Le} premier, ^{de forme} hyperbolique, prépondérant ^aux pressions élevées, ^est déjà ^{seul à}

considérer aux pressions supérieures ^{à 1} millimètre de mercure

la valeur de l’autre terme tombant désormais an-dessous de la limite des erreurs d’observation.

L’hyperbole

admet pour asymptote ^{la droite}

A la pression ^{de i0~~,803, la} plus ^{haute que} j’aie employée, ^{la dif-}

férence des ordonnées de l’asymptote ^et de la courbe n’est déjà plus

que de ³⁴ volts, c’est-à-dire que, dans ^cette région, la variation du

champ critique peut ^être considérée ^comme à peu près linéaire. Il est vraisemblable que la formule (1 bis) continuerait à s’appliquer

pour des pressions beaucoup plus ^élevées, de l’ordre d’une atmo-

sphère, par exemple.

Le terme hyperbolique ^{tend vers zéro} quand ^la pression ^décroît

indéfiniment. Le terme, ^en raison inverse du carré de la pression,

croît au contraire avec une rapidité extrême. Le champ critique présente ^{donc un minimum} qui, d’après ^les observations, ^serait voisin de 90 volts et, d’après ^la formule, ^{de 80} volts par centimètre ; mais, ^{avec ces} petites différences de potentiel, la lumière émise est si faible, ^la quantité d’électricité qui passe ^est si petite que les observations peuvent ^bien comporter une erreur systématique par excès de l’ordre de la différence (10 volts par centimètre).

Au- dessous de de millimètre de mercure, l’accroissement du champ critique ^est décidément plus faible que ^ne l’indiquerait

la formule et, bientôt après, ^très lent. C’est une particularité qui

se présente parfois ^{dans les} expériences ^{à basse} pression ^{et sur} laquelle nous aurons à revenir.

~ i. Résultats relatifs ^{il l’air sec} ( ~ ).

(1) Les chiffres gras ont la même signification que dans le tableau précédent

415

Formule :

Asymptote :

Ija formule empirique comprend toujours ^{deux termes. Le terme} hyperbolique, prépondérant ^{aux hautes} pressions, ^est seul efficace à

partir ^{de 3 ou 4} millimètres de _mercure; à la pression ^{de 4cm ,57!,}

l’écart de l’liyperbole ^{et de son} asymptote ^n’est déjà plus que de 20 volts par centimètre, c’est-à-dire _{que la} variation du champ ^cri-

tique ^est déjà presque linéaire.

’

Lie terme prépondérant ^{aux basses} pressions ^{est en} raison inverse de la pression, ^et l’application ^de la formule est encore correcte pour des pressions ^{de l’ordre} de 4 /200 de millimètre.

Comme _pour l’hydrogène, le minimum des nombres observés est

légèrement supérieur ^{au minimum calculé} par la formule empirique.

26. Acide carbonique. ^{- Avec ce} gaz, ^les lueurs d’effluve sont par- ticulièrement brillantes.

Il est assez difficile d’embrasser l’ensemble des nombres de ce

tableau dans une formule empirique unique. ^Celle qui ^{a servi au}

calcul de la troisième colonne est :

L’asymptote ^est:

La formule (3), ^correcte pour les pressions supérieures ^à 2cm,5 ^ou inférieures ^à Ocm,5, donne, ^dans l’intervalle, des résultats systémati- quement trop ^faibles.

Le coefficient angulaire ^de l’asymptote peut être considéré comme au moins aussi bien déterminé que dans le ^cas de l’air ou de l’hy- drogène, ^{car, à la} pression ^de l’écart de la courbe et de son

asymptote ^n’est déjà plus que de 7 volts par centimètre.

De même la forme du- terme prépondérant ^{aux basses} pressions

(1) ^{A sa} sortie de l’appareil, le gaz est complètement absorbable par la potasse,

à un résidu près ^{voisin de} ~~4

417 n’est pas douteuse. Ce ^{terme est} 1 ^{et son} coefficient _{n’est que} le sixième de celui qui ^{convient à} l’hydrogène.

27. En général, ^{il m’a} paru ^{sans intérêt} d’opérer ^{à des} pressions

notablement inférieures à un centième de millimètre, ^d’une part parce que l’erreur relative commise ^sur la valeur de la pression ^{est désor-}

mais trop considérable, ^d’autre part parce que la pureté du gaz ^sur

lequel ^on opère devient, ^à partir ^de là, trop douteuse, ^eu égard ^aux

traces de gaz étrangers dégagés par les parois ^{du ballon ou par la} trompe (nécessairement ^{munie de son tube} desséchant)(’ . Il faudrait aussi tenir compte des vapeurs de mercure, dont la pression ^maximum

finirait par ^être comparable ^{à la} pression ^du gaz étudié.

28. En dehors des trois gaz : air, hydrogène ^{et acide} carbonique, j’ai ^encore expérimenté sur un assez grand nombre de gaz ^ou de vapeurs, dont je ^{réserve l’étude} détaillée pour ^{un autre} mémoire.

Je me bornerai à dire que les champs critiques ^ont toujours pu ^être

représentés, ^{au même} degré d’approximation ^{et dans les mêmes} limites, par des formules empiriques analogues ^aux précédentes,

c’est-à-dire rentrant dans le type général :

asymptote :

le coefficient a est souvent nul, ^{au moins avec les} disques gazeux

épais ; l’un des coefficients 1 ^{ou n} est nul.

Il faut d’ailleurs se garder d’attribuer une importance égale ^{à tous}

les coefficients que l’on peut être amené à introduire dans les for- mules empiriques pour rapprocher ^le plus possible l’allure des nombres calculés et observés. Les expériences ^{dont il me reste à}

rendre compte ^ont précisément pour but de rechercher l’importance

relative et la signification physique des divers coefficients.

(1) ^Le jeu ^{de la} pompe ^{et de la} trompe ^{à mercure introduit} incessamment des traces de vapeur d’eau que le mercure va puiser ^au dehors et cède aux parois, qui l’abandonnent ensuite lentement dans le vide. Dans une série d’expériences

oü le tube desséchant avait été supprimé, ^{il a été} i1npossible de faire le vide avec

la trompe ^à plus ^de 200 de millimètre près.

418

29. Je m’appuierai ^{surtout sur les} expériences ^{relatives à l’air et à} l’hydrogène, parce qu’elles ^{ont été} particulièrement nombreuses et variées. Échelonnées ^sur une période ^de quatre années, ^{elles ont été}

exécutées par des méthodes diverses ^{et sur} des ballons de verre

d’épaisseurs ^{et même} de formes très différentes. Malheureusement les

précautions indispensables pour obtenir des résultats parfaitement

corrects n’ont été découvertes et appliquées que successivement ; ^les

séries d’expériences que j’ai pu utiliser d’une manière complète ^sont

donc encore assez restreintes.

Dans les plus ^anciennes observations, exécutées par la comparaison

des capacités électriques, ^on n’avait pas songé ^{à ramener le conden-}

sateur en arrière pour le décharger ^sur le microfarad. On a expliqué,

au chapitre ^1er (~ 15), qu’il ^{devait en} résulter des valeurs trop grandes

pour les champs critiques. ^{Cette cause} d’erreur affecte malheureuse- ment tous les nombres que j’ai publiés ^{en 1900} (~ ). Ce que l’on ^me- surait en réalité à cette époque, c’est la valeur minimum du champ ^à partir duquel ^{l’effluve se} produit ^{aussi bien à la} décharge qu’à ^la charge

du condensateur : c’est ce qu’on peut appeler ^le champ de réversibilité de l’elfluve. En dehors de la région ^{voisine du} minimum, ^ce champ paraît ^{lié au} champ critique par ^une relation de simple proportion- nalité, le coefficient de réduction étant voisin de 1 1,2 pour les hautes ^p

pressions ^et de j ^{pour les pressions très basses.}

Il résulte de cette proportionnalité approchée que l’allure générale

des phénomènes ^{ne se} trouvait pas altérée : ^{ce sont} justement ^les

anciennes expériences qui ^m’ont fait découvrir les formes de fonction propres ^à la représentation ^des champs critiques. ^Les expériences

ultérieures n’ont modifié que la valeur numérique des coefficients.

30. Il importe ^{avant tout de savoir comment ces} coefficients varient

quand ^on change l’épaisseur des ballons plats, c’est-à-dire l’épais-

seur des disques gazeux soumis ^à l’action du champ.

Trois séries d’expériences comparatives ^très soignées, quoique ^non

encore parfaites, établirent que le coefficient ^b du terme hyperbolique

doit .bien être considéré comme une constante caractéristique du gaz que l’on étudie. Elles donnèrent pour ^l’air les résultats suivants (2)

(1) ^Voir Co2nples ^{Rendus de} l’AcadénÛe des Sciences, ^t. CXXXI, p..43, 469 ^{et 503.}

(~) ^{Dans ces} expériences, ^{faites avec} les mêmes plateaux ^de condensateur, ^la

419

Nous avons vu que les expériences ^les plus ^{récentes et les} plus précises ^sur le ballon de 5em,6 ^{ont réduit ce} coefficient b à 419. Un ballon de 4em,075 ^a donné, ^{dans les mêmes} conditions, ^{425 à 430.}

Nous adopterons le nombre 419.

Rappelons que ^ce nombre comporte ^encore l’erreur par ^excès résul-

tant de l’effet des bords du condensateur et de l’action diélectrique

des parois (§ ^{12 et} 13, ^ch. Ier).

diélectrique ^des parois.

^Des expériences spéciales

furent entreprises pour manifester l’action diélectrique ^des parois

et en fixer la limite.

Un ballon plat ^{à col} large ^{de 8~,5} de diamètre équatorial ^{et de}

3~,8 d’épaisseur, ^fut paraffiné intérieurement; ^{mais on eut le soin de}

laisser écouler toute la paraffine ^en excès, ^en maintenant la paroi ^du

ballon à une température ^assez élevée, ^de façon ^{à ne retenir} qu’une

couche de paraffine ^très mince. Soit avec l’air, ^{soit avec} l’hydrogène,

le champ critique ^aux pressions supérieures ^à quelques millimètres de mercure ne fut pas modifié d’une façon appréciable. ^{On trouva}

pour le coefficient b ^une valeur identique.

Dans une seconde expérience, ^on prépara, ^au contraire, ^une

couche de paraffine d’épaisseur ^{notable, en} laissant refroidir len- tement la paraffine ^fondue jusqu’à ^la température de solidification.

On eut soin de donner au ballon un mouvement de rotation continue,

pour égaliser ^le plus possible l’épaisseur de la couche déposée, qui ^se

trouva notablement supérieure ^à l’épaisseur ^{du v erre} (1 ~ . ^Les champs critiques, ^aux pressions ^de plus ^de quelques millimètres de mer-

cure, furent trouvés d’environ 3 0/0 supérieurs ^aux champs critiques

.mesurés avec le ballon nu.

distance minimum du ballon aux plateaux voisins était toujours ^{de 2 à 4 milli-}

mètres.

Les causes d’erreur de même signe ^{résultant de} l’efl’et des bords du conden- sateur et de l’action diélectrique ^des parois (dont l’épaisseur pour les divers ballons est sensiblement constante), ^{varient en sens} inverse. Il s’établit donc une sorte de

compensation, d’où la constance approximative du résultat numérique ^obtenu.

(1) Épaisseurs moyennes, déduites depesées : ^volume du verre, environ 19 ^cen-

timètres cubes ; volume de la paraffine ²⁵ centimètres cubes ; volume du gaz

135 centimètres cubes.

On obtint des résultats analogues ^en remplaçant ^la paraffine par du soufre.

32. Enfin, ^on introduisit sur le fond plat inférieur du ballon une

couche de grenaille ^de plomb ^très fine(’), puis ^une large goutte ^de

mercure de 6 centimètres de diamètre (2). Les conducteurs ainsi placés

entre les armatures du condensateur devaient produire, ^et produi-

sirent en effet, ^une variation de la capacité ^{dont on} pouvait ^calcu-

ler approximativement la valeur. Mais on ne remarqua ^aucune variation du champ critique pour les pressions supérieures ^à quelques

millimètres de mercure. Toutefois, ^{dans ce} cas, les effluves cessèrent d’être aisément visibles, ^{et on ne} _put ^{exécuter de vraies mesures} _que

par les méthodes électriques.

33. L’ensemble de ^ces expériences établit que ^{le est} bien une constante spécifique du gaz.

Il semble en être de même du coefficients ^{c sous le} radical, qui

détermine l’écart de l’hyperbole par rapport ^{à son} asymptote.

Toutes les expériences ^{sur l’air ont en} effet pu ^être représentées par des formules dans lesquelles ^{on a attribué à ce} coefficient la valeur invariable 1,4. ^Pour l’hydrogène, ^{on n’a eu à hésiter} qu’entre ^2,20

et 2,4.

En résumé, ^le terine b Op (p + c), représentant ^{une branche} d’hyperbole ^et qui, pratiquement, ^{fixe à} lui seul la valeur du champ critique ^aux pressions supérieures ^à quelques millimètres de mer-

cure, ^ne paraît influencé ni par la ^nature de la paroi, ni par la plus

.ou moins grande épaisseur ^du disque gazeux ^en expérience. ^{Il est}

donc bien caractéristique ^{du gaz lui-même.}

34. Les autres coefficients se comportent ^{d’une tout autre ma-}

nière. Occupons-nous spécialement ^{des termes en} raison inverse de la pression ^{ou du carré de la} pression, ^{seuls efficaces aux} pressions

très basses.

A titre d’exemple, je transcrirai ici les nombres obtenus à basse

pression pour l’air, ^{avec un ballon} plat ^{de 4~,075} d’épaisseur ^maxi-

mum.

(1) ³⁴ grammes, soit environ 3CC,5.

(‘~) Poids du mercure, 152 grammes, soit ^un volume de

421

Formule :

Nous trouvons, pour le coefficient 1 du terme en , 1, _1,45 ^au lieu

p

de 0,84 _que ^nous avions obtenu avec le ballon de 5cm,6 (). ^{Ce coeffi-}

cient varie donc en sens inverse de l’épaisseur ^du disque gazeux

en expérience ; ^on peut ^{même dire} qu’il ^est grossièrement ^{en raison}

inverse de ^cette épaisseur. ^{On a en effet :}

Des expériences analogues, ^sur l’hydrogène, ^{ont donné un résultat} beaucoup plus frappant. Avec trois ballons d’épaisseur ^{maximum dit} férente, ^{on a trouvé} les valeurs suivantes du coefficient n du terme

1 en jl

P

35. Ainsi, ^{le terme} prépondérant ^{aux basses} pressions, ^{loin de se}

montrer indépendant ^de l’épaisseur de la couche gazeuse, varie ^sen- siblement en raison inverse de cette épaisseur ; ^{en d’autres termes,}

la diffêrence ^de potentiel correspondante, égale ^au produit ^du champ

par l’épaisseur, paraît à peu près ^constante.

(1) ^Voir ci-dessus, ? ^25.