Roulement du mercure sur le verre dans le vide. Phénomènes électriques et lumineux

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Roulement du mercure sur le verre dans le vide.

Phénomènes électriques et lumineux

M. Duffieux

To cite this version:

M. Duffieux. Roulement du mercure sur le verre dans le vide. Phénomènes électriques et lumineux.

J. Phys. Radium, 1928, 9 (2), pp.61-70. �10.1051/jphysrad:019280090206100�. �jpa-00205320�

ROULEMENT DU MERCURE SUR LE VERRE DANS LE VIDE.

PHÉNOMÈNES ÉLECTRIQUES ET LUMINEUX Par M. DUFFIEUX.

Docteur ès Sciences. Maître des conférences à la Faculté de Rennes.

Sommaire. 2014 Le roulement du mercure

le

dans le vide donne naissance à

courant électrique continu entre le

(pôle positif) ^{et le}

qui ^{vient de} quitter

le contact du

(pôle négatif).

L’influence de la température

^cette décharge ^est étudiée, ainsi que les circonstances où apparait ^le spectre ^{continu de} phosphorescence.

Le mécanisme de l’électrisation du

contact du

est déduit de

expériences.

L’étude de l’angle de raccordement

et de

variation pendant ^le

roulement montre que les couches électriques complexes qui maintiennent le liquide

équilibre

contact du

sont situées dans le

1. Introduction. - La production d’électricité et de lumière par choc ^on roulement du’

mercure sur le verre dans le vide est un phénomène ^connu depuis longtemps (’). ^{Dans ces}

dernières années, plusieurs ^auteurs (2) ^ont signalé qu’au-dessus ^de 200, C la lueur émise par

ce procédé contient, ^{outre le} spectre ^{d’arc du mercure, le} spectre continu récemment étudié par lord Rayleigh. ^Les expériences que je ^{décris ont été} primitivement entreprises ^dans

l’intention d’obtenir ce spectre continu, ^par roulement, ^{avec une} intensité notable.

~. Appareil. - ^{Le mercure est} enfermé dans un ballon sphérique ^vidé qui ^tourne

autour d’un diamètre horizontal (fig. 1). ^Ce ballon, ^{en verre} Pyrex, ^{a li cm de} diamètre;

Fig. ^{1. -} H,

^{A, B,} réfrigérant. R, R’, roulements à billes flxés

socle

représenté.

C, C’, transissions

tube de caoutchouc. M:,

^{du moteur} électrique.

son col est un tube de 3 cm de diamètre et de 30 cm de longueur. ^{Le tout a été lavé} vingt- quatre ^{heures au} mélange chromique, rincé à l’eau distillée et desséché dans un bon vide à haute température. ^{Le mercure a été lavé} longuement ^{à l’acide} azotique étendu, puis ^{à l’eau}

pure, ^et distillé deux fois. Il n’est pas versé directement dans le ballon mais dans ^une

ampoule communiquant ^avec lui, ^et le transfert est fait par distillation dans le vide. Avant d’être séparé ^de l’ampoule ^{et scellé} définitivement, l’appareil est chauffé et le mercure

maintenu un quart ^d’heure à l’ébullition.

Le montage ^est donné par le schéma de la figure 1. Le col sert à la fois d’axe et de

réfrigérant. ^{Pour ce} dernier usage, la partie ^{AB est} entourée d’un manchon de tissu arrosé

«1,’eau froide. L’axe de rotation n’est pas rigoureusement horizontal, ^mais légèrement ^inclinés

(1) DAruiN. Cours de Physique, ^t. 1, 37 ; ^t. 3, 1. 261-1 287.

(2) ^{J. :FRANK et} W. GROTItl". /’. Phys., ^{t. 4} (1921), p. 89.

^F. RASETTI, Lincei, ^{t. i} (1925), p. 223.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019280090206100

62

pour que le ^mercure condensé dans le col retombe dans le ballon. La rotation est produite

_par ^un moteur électrique.

Au repos, le ^mercure forme une large goutte ^{de 6 cm de Cette} goutte,

entraînée par la rotation, ^{est étirée en} pointe ^et grimpe ^le long ^{de la} paroi (planche I,

cliché 2 ; fig 4). ^{Sa forme est} stable pour les vitesses de 120 à 180 tours pai minute. Ces limites varient d’ailleurs avec la température, la stabilité du support et surtout l’inclinaison de l’axe de rotation sur l’horizontale. Aux vitesses inférieures, ^la goutte oscille ; ^{aux vitesses} supérieures, ^la pointe ^{s’incurve et déferle. Sauf} indication contraire, les observations sont îaites sous la vitesse de 180 tours par minute, qui correspond ^{à une} vitesse de roulement

linéaire de i mètre par seconde environ. Pour abréger, j’appellerai talon l’extrémité de la

goutte opposée ^{à la} pointe.

Le ballon est chauffé directement soit par ^un bunsen, soit par ⁱⁱⁱⁱ bain d’eau ou de

Waraff ine ^dans lequel plonge ^son hémisphère inférieur. Les températures données sont celles bain.

3. Phénomènes électriques ^{et lumineux} produits par la rotation. - A basse

’température, de 10° à 50° environ, ^les phénomènes lumineux sont cornpliqués et instables.

.Ils sont d’ailleurs très faibles et ne peuvent ^{être vus} que dans la plus profonde ^obscurité.

La surface extérieure du ballon est en certains points fortement électrisée. Les décharges

antérieures sont étroitement liées à cette électrisation. Le frottement en des points

convenables de corps isolants ^ou conducteurs les allument ou déplacent. L’immersion

«de l’hémisphère inférieur dans un bain d’eau les éteint complètement. ^1«-llles disparaissent

encore si l’on frôle cette paroi extérieure, ^au niveau de la pointe, ^{avec un} large tampon

d’étoffe métallisée. Il jaillit ^{alors de} petites étincelles entre le tampon ^{et la} paroi ^au-dessus

de la pointe; ^{c’est là} que le ^{verre est} le plus fortement électrisé. Les décliarges intérieures

dépendent évidemment de l’état électrique ^{de la masse même du verrte.}

Au-dessus de 50°, ^une lueur stable parait ^dans l’intérieur du ballon. L’aspect, pour ,I’obse,r,vateur regardant suivant l’axe de rotation, ^est donné par le cliché ¹ de la planche ^1.

-Cette lueur s’élève du talon de la goutte, ^{décrit un arc de cercle} près ^{de la} paroi ^{et s’éteint} brusquement ^un peu avant d’arriver ^au contact de la pointe. Son éclat dans les parties ^les

.brillantes est comparable à celui d’un bunsen réglé ^sans flamm’’ éclairante ni cone -vert. L’action du champ magnétique ^{sur cet arc lumineux} permet d’affirmer qu’il ^{est dû}

:3k une décharge électrique ^continue qui jaillit entre le talon de la goutte ^{et la} partie ^{de la}

-zone de roulement qui ^{vient de} quitter ^{le mercure.}

On peut ^{se rendre} compte de la forme particulière ^{de la} décharge d’après ^{le cliché} 1, Bplanche I, la section équatoriale ^I (fig. 4) ^{et le} développement ^d’une projection ^{sur un} cylindre circonscrit parallèle ^{à l’axe} représenté figure ^2. L’extrémité positive ^{de la} décharge

Fig. ^2.

TA, première houppe positive; AAA, BBB, ^aire négative neutralisée ar la prumière houppe ; CE, ^deuxième houppe positive.

Les limites de la

de roulement, sont InarqUt’" ^le pointillé long.

est au talon de la goutte. ^{Il s’en détache une} houppe ^mauve qui raont% juqu’au ^sommet

éu ballon. C’est la partie ^la plus brillante de la décharge. ^{Elle est} prolongée ^{vers la} pointe

~par ^une nappe lumineuse moins brillante, ^à peine ^{visible sur la} [photographie, ^qui

recouvre sans arriver à son contact l’aire AAA BBB de la zone de roulement. Cette aire est

J’,e-xtrémité négative ^{de la} décharge.

PLANCHE 1

Cliché 1.

Température ^400. Cliché 2.

Température ^60°.

Cliché 3.

Température ^{100o. Cliché 4.}

Température ^1300.

La rotation

fait dans le

inverse de celui des aiguilles d’une montre. La forme de la pointe ^est bien visible

le cliché 2 où elle est bordée par la ^2e houppe évanouissante.

Ces photographies ^ont été faites

des plaques ordinaires sensibles

radiations violette et ultra- violette. Or la majeure partie de l’intensité émise par la vapeur phosphorescente est dans la région ^verte

du spectre visible, aussi cette vapeur paraît-elle ^avoir

^{éclat plus} faible que la décharge.

Sur les clichés 3 et 4,

aperçoit ^la décharge produite ^{par les} gouttes ^de

retombant du réfri- gérant, ^et qui ^{roulent dans le col.}

DUFFIEUX.

63 Cette nappe lumineuse ^est prolongée par ^une deuxième houppe brillante, ^{bien visible}

sur la photographie, qui ^{adhère au verre suivant une bande} large ^{de 1 cm} environ parallèle ^{à la} ligne d’arrachement dont la sépare ^un intervalle obscur ayant ^une largeur

à peu près égale. L’intensité y ^est maximum au contact du verre et décroit rapidement.

Le profil ^{de cette} houppe ^et l’action du champ magnétique ^{sur elle me} la font attribuer à

une deuxième décharge indépendante qui ^se produit ^{entre une aire} négative qui prolonge

la première ^{et une aire} positive qui ^la précède immédiatement du côté de la ligne

d’arr,-,icli,ement.

1.11

Fi,-. ^{3. -} 1. Température 1000 _La

décharge est seule rcprésrntée.

° ^°

Il. Température 1301, ^{déchargc eai seule}

Il. Température 1300

111. Production des étincelles.

Fig. ^4.

^l. Température ~0~ ^La décharge ^est représentée par des traits qui figurent

II.

I04° ^{les lignes} de courant.

III.

1300 ^{La vapeur} phosphorescente ^est représentée en-pointillé.

Le champ magnétique déplace facilement la première houppe positive ^{dont la forme et}

la position ^{semblent ne} dépendre que de l’étendue de l’aire négative ^{et du flux} propre ^{de la}

décharge. ^Il peut ^déformer légèrement la nappe ^et la deuxième houppe, ^{mais non} déplacer

leur surface de contact avec le verre. Le contact d’un tampon conducteur éteint encore la

décharge lorsque ^la température est peu supérieure ^à ~0°, mais, dès que le ^verre est brû-

lant, ^{il ne} produit plus ^{aucun effet. La} surface intérieure du ballon seule joue ^{désormais un}

rôle actif.

La décharge ^a partout la même couleur. Avec un spectroscope ^à main, ^on distingue facilement, ^{dans les} houppes, la raie verte et une raie violette du inercure. parfois ^{les raies} ,jaunes.

En élevant la température, ^on constate que la décharge ^conserye sensiblement les mêmes caractères. Son évolution peut être suivie sur les différents clichés et sur les dessins tdes figures ^{3 et 4. L’aire} négative ^{totale se} raccourcit et se rapproche ^{de la} ligne ^d’arrache-

ment. Toute la lueur se condense dans la première houppe positive ^dont l’éclat croît et qui

.avance du talon vers la pointe. ^Au contraire, la deuxième houppe ^diminue beaucoup ^de

volume et d’éclat, ^{elle se} rapproche d’ailleurs de la ligne d’arrachement plus vite que la pre-

64

mière houppe. ^A 90~, ^{elle a} complètement disparu. ^{Au delà de} 1500, ^la décharge ^{se réduit} rapidement ^{à une} pellicule brillante incurvée en une voûte de quelques millimètres de rayon au-dessus de la ligne d’arrachement.

Un peu avant 100°, ^on distingue ^{un nouveau} phénomène lumineux. Le sommet du ballon et le réfrigérant ^se remplissent d’une lueur verte dont l’éclat augmente rapidement. ^A 1200,

le phénomène ^est déjà ^brillant. Il s’élève de la décharge, ^{réduite à un} bourrelet de 1 cm de rayon, ^une flamme verte qui ^{monte au sommet du ballon, le} remplit, puis s’incurve, aspirée

par le réfrigérant où elle s’éteint. Cette _vapeur phosphorescente, plus brillante que la

décharge, n’émet que le spectre continu du mercure. A ce moment, ^on distingue ^{dans la} décharge ^{mauve toutes les raies} d’arc, ^le spectre continu y est très faible. L’éclairement

produit par la décharge ^et la flamme verte est suffisant pour lire ^une écriture large ^{et suivre}

sur une montre le mouvement de l’aiguille ^{des secondes. Aux} températures supérieures,

la flamme verte augmente ^un peu d’éclat; ^{elle est} plus ^{courte et} paraît violemment soufflée par la distillation qui ^est alors très active. Je n’ai plus ^{observé aucune} modification notable dans la décharge ni dans la vapeur phosphorescente jusqu’à ^la température extrême que

mon appareil ^m’a permis d’atteindre, température qui ^{ne doit} pas ^{être très} éloignée ^de2OO’.

J’ai pu constater, ^{avec un autre} appareil, que les phénomènes ^lumineux disparaissent brusquernent dès que la température ^{du verre} dépasse ^{une certaine} limite, qui ^ne doit pas être très éloignée ^{de 250°. Cet} appareil était constitué par ^un matras de 250 cm3, à col court et épais, contenant peu de ^mercure et vidé ^comme l’appareil précédent. J’agitais ^{à la main}

en tenant le col par ^une poignée d’amiante. J’ai pu constater que le roulement ^{sur une} paroi

de verre chauffée à une température trop ^{élevée ne} produit ^aucune lueur. Au même instant, le roulement sur une paroi ^{dont la} température ^est plus ^basse produit ^la décharge ^{mauve et}

la phosphorescence verte. L’extinction n’est donc pas due à la pression trop élevée de la vapeur de ^mercure. Elle n’est pas due ^non plus à la différence de température ^{entre le verre}

et le mercure, ^car le phénomène ^est identique que ^ce dernier soit chaud ou froid. Cette extinction me paraît ^{coincider avec un} changement ^{dans les} propriétés électriques ^{du verre} qui ^cesse d’être isolant à une température suffisamment élevée.

En laissant le ballon se refroidir librement, ^on retrouve les mêmes aspects, ^{aux mêmes} températures, ^{mais la} décharge stable subsiste au-dessous de 50°. C’est ainsi que le cliché 1, planche I, ^a été obtenu à une température ^à peine supérieure à celle de la main.

4. Influence d’un _gaz étranger. - A la suite de chauffages répétés ^à trop ^haute température, ^un des ballons étudiés, insuffisamment purgé, peu à peu rempli ^{de gaz} dégagés ^{de la} paroi. ^{Etant donné} le mode de nettoyage ^du ballon, ^ces gaz devaient être pour la plus grande part de la vapeur d’eau. En fait, je n’ai constaté dans le spectre ^visible

aucune raie nouvelle en plus des raies du mercure déjà observées. J’ai pu ^mesurer la

pression ^{de ces} gaz, ^en déterminant la température d’ébullition du mercure. J’ai évalué la

quantité ^{de mercure} qui distillait en un temps donné du ballon dans le réfrigérant ^à

diverses températures. Très lente au-dessous de ~08°, la distillation devient brusquement rapide au-dessus de cette température. ^C’est également ^à 108° que la vapeur phosphores-

cente verte, ^invisible jusqu’alors, ^s’élève brusquement ^{de la} décharge. ^La pression ^des

gaz étrangers ^{était donc} égale ^{à la} tension maximum de la vapeur de ^mercure à cette

température, ^soit 0,3 ^mm.

Les phénomènes électriques ^et lumineux restent à peu près les mêmes. Les seules modifications apportées par la présence d’un gaz étranger sont les suivantes :

2° La décharge ^{stable se} produit ^{dès la} température ordinaire. On n’observe jamais

d’électrisation de la surface extérieure du verre ;

2° A la même température, ^la première houppe positive est moins diffuse. Au contact immédiat du mercure, ^son éclat est beaucoup plus ^{vif sur une} épaisseur ^de quelques ^milli-

mètres. Dès 501, ^on distingue dans cette tache lumineuse toutes les raies d’arc du mercure.

L’épaisseur de cette tache diminue lorsque ^{croît la} température ;

3° La deuxième houppe est considérablement réduite dès les basses températures. ^Elle

, ,

65 est toujours ^très près ^{de la} ligne d’arrachement. Elle disparaît ^{à une} température ^un peu

plus basse que dans le ballon parfaitement ^vidé.

Au-dessus de la température d’ébullition, ^les phénomènes ^sont identiques avec ou sans

gaz étranger (3).

5. Electrisation par ^contact verre-mercure. - La seule hypothèse plausible

est celle qui ^{fait du mercure la source} de toutes les particules électrisées dont le mouvement

produit le courant.

Il paraît ^de plus ^en plus vraisemblable que les propriétés superficielles des métaux

liquides sont dues à l’existence des couches électriques complexes formées par ^une distri- bution particulière des électrons libres et des molécules-ions positifs qui existent normale- ment à l’intérieur du liquide (4). ^Cette distribution est mal connue. Elle est d’ailleurs

compliquée ^du fait que les surfaces fraîches des métaux liquides ^ne présentent ^{aucune trace}

de solidification, mais sont le siège ^d’une agitation thermique semblable à l’agitation

normale dans le liquide (5). L’équilibre des couches électriques superficielles ^{doit être} statistique ^{et non} point statique.

D’après ^les expériences ^de Buhl (6), ^{les surfaces’} fraîches de mercure présenteraient toujours à l’extérieur une première couche de molécules-ions positifs, les électrons libres restant en dessous, ^à l’intérieur du liquide. ^Ce serait là la structure normale de la surface libre du mercure au contact de sa vapeur. Le contact des gaz et surtout des solides amène

rapidement ^un remaniement de la distribution superficielle ^des particules électrisées qui ^se

traduit toujours par l’évasion d’une partie des électrons libres hors de la dernière couche des molécules liquides.

Dans le cas du contact verre-mercure, ^on doit s’attendre à ce que les propriétés ^diélec- triques ^{du verre influent sur} la distribution des particules électrisées a la surface du

mercure. Cette influence est certaine, ^car l’énergie de la surface de contact est notablement inférieure à celle de la surface libre liquide. ^Il résulte des expériences que j’ai ^décrites ,qu’un certain nombre d’électrons libres se portent à la surface du verre et y restent fixés, solidifiés, par la polarisation diélectrique plus ^{ou moins} profonde ^{du verre.}

Au moment de l’arrachement, la surface libre du _mercure, très conductrice et constam- ,ment brassée par l’agitation thermique, reprend ^très rapidement, quasi instantanément, ^sa

structure spécifique. Il n’en est pas de même pour le ^verre. La dépolarisation ^{de sa masse}

et l’apparition ^{à sa} surface d’une couche libre d’électricité négative ^{ne se} font que progres- sivement. C’est le mécanisme bien connu du phénomène ^{de la} charge résiduelle.

A basse température, ^la pression ^est faible, le ballon est

dur

La couche d’électri- ,cité négative laissée par le ^mercure peut ^{atteindre un} potentiel ^{élevé. Le verre se} polarise

fortement dans toute sa masse. Les décharges entre l’aire négative ^{et le mercure se} pro- ,duisent soit au contact de la surface intérieure à la faveur des particules ^{de mercure} qui,

nous le verrons, ^sont entraînées mécaniquement, soit à travers le verre par convection ^ou

déplacement et suivant sa surface extérieure toujours ^un peu conductrice. Le frottement du

tampon conducteur n’a sans doute d’autre effet que de substituer à cette dernière, ^{dans le} circuit extérieur, ^un conducteur très peu résistant.

Au-dessus de 50°, la vapeur de mercure, plus dense, ^est plus conductrice, ^{et le courant}

se ferme plutôt ^{à travers} elle. La couche négative ^se décharge ^sans jamais ^{atteindre un} potentiel ^{élevé. A une faible} profondeur au-dessous de la surface électrisée, ^{le verre} joue

(3) ^La présence d’un gaz étranger ^{dans le ballon} n’implique nullement que l’atmosphère intérieure du ballon reste constamment

mélange homogène du gaz et de la vapeur de

J’ai tout lieu descroire

que la distillation refoule

sommet du réfrigérant les gaz

condensables, maintenant pure ^la vapeur de

qui remplit ^{le ballon} proprement ^{dit. En} effet, ^{dans le} ballon mal vidé le sommet du réfrigé-

rant reste froid, ^si rapide que soit la distillation ;

contraire, dans le ballon bien vidé, il faut

réfri-

gération énergique pour empêcher ^{le sommet du} réfrigérant de chauffer dangereusement, si réduite que .soit la distillation.

(4) ^{FUENKEL. Phil.} Mag., ^{t. 33} (1917), p. 291.

(5) GANS. Ann. der Phys., ^{t. 74} (1924), p. 23i.

RAMAX et RAMDAS, ^Proc. Roy. Soc., ^{t. 108} (195), p. 5G8.

(6j A. ^{BUHL. Ann. der} Phys., ^{t. 80} (1926), p. 181.

,

5

66

alors iiiiitltieiiieiit le ^{rôle de} diélectrique isolant. La présence ^{à basse} tempéralure

d’une afni»’ pl19>re de gaz étrangers produit le même pirot qu’une augmentation ^{de la.}

pression de vapeur par élévation de température.

Les modifications apportées ^{dans la} houppe positive par la présence d’un gaz étranger suggèrent qu’outre l’émission d’électrons par l’aire négative, il y ^a émission ou diffujsion d’ions positifs par le liquide. ^{Il est en effet} vraisemblable que ^la vaporisation ^{du mercure}

enlève plutôt l’excès d’atomes ionisés pour lesquels l’action des forces électriques s’ajoute

à celle de L’,-tgitation thermique. ^La présence d’un gaz étranger, ^en supprimant la distilla- tion et eu diminuant leur libre parcours moyen, compriine ^{ces ions} positifs à la surface du liquide.

La deuxième houppe ^me paraît ^formée par ^{un mécanisme assez} différent. Je l’attri- buerais volJutiers au fait que, à basse température, la surface du verre entraîne non seule- ment des é’.actrons, ^{mais encore} des atomes de mercure ionisés.

L’adhérence de particules, ^{de mercure au verre froid se} manifeste clairement dans

l’expériertc3 suivante. Le ballon étant immobile, ^{on chauffe} fortement toute la surface libre du _verre, pour la purger des particules volatiles et on laissé refroidir. Si l’on provoque alois+

la distillatlon du _mercure, on constate que la condensation ^sur la paroi ^{de verre froide est}

difficile elfe ^se produit par grosses gouttes ^en quelques ^rares points. ^{L’allure est tout à fait}

différente si, ^{avant la} distillation, ^{on fait rouler le mercure froid sur la} paroi purgée. ^La.

condensation est abondante et se fait uniquement ^sur l’aire touchée _par le mercure. ElleH

produit ’Lin,-tiédiatement un voile gris ^{continu. Cette} propriété subsistant longtemps après

le contact, ^{~l me} paraît ^difficile de l’attribuer à un état électrique particulier ^{du verre. Il}

faut donc admettre que le ^mercure laisse adhérentes au verre un grand ^{nombre de} parti-

cules. Quelques ^instants après l’arrachement, ^ces particules ^sont nécessairement neutres.

Mais d’un courant dans la deuxième houppe porte ^{à croire} qu’au ^{moment de}

1’arrache ~nt ce sont des atomes ionisés. Ces ions sont moins nombreux que les électrons fixés sur le verre. Si l’on en juge par la fraction de l’aire négative ^totale qui paraît ^neutra-

Lisée par la deuxième houppe, ^{il sont au} plus ^{avec eux dans le} rapport de 1 à 5. A basse

température, leur neutralisation se fait lentement par déplacement ^à la surface. du verre-

des électrons surnuméraires voisins. A haute température, ^la neutralisation se fait plus.

aisément à travers la vapeur de ^mercure.

Plu8Êeurs des phénomènes ^lumineux instables, ^{visibles à la} température ^ordinaire

sont expliqués par l’adhérence de ces ions positifs. ^En particulier ^celui-ci qui ^me paraît

.

caract,’-,ri-.,iti,jue. ^En appuyant ^un corps solide contre la surface extérieure du ballon, ^{à une}

distance convenable au-dessus de la ligne d’arrachement, ^{on fait} apparaître ^{en face de} point de contact une houppe ^lumineuse tout à fait semblable à la deuxième houppe. ^Le phénomène ^est indépendant ^de la nature du corps solide, qui peut ^{être un isolant ou ua}

conducteur Son action n’est pas électrique, ^inais mécanique : les vibrations du verre pro- duisent siir les particules ^fixées à la surface les mêmes effets qu’une élévation de tempé-

rature. L vaporation des atomes de mercure ionisés ou déjà ^neutres produit ^{une densité-}

locale d( 1 ù peui suffisante pour qu’une décharge puisse ^se produire à l’extérieur de la masse

du verre

Production d’étincelles.

J’ai cherché l’origine ^des étincelles habituellement pro- duites par le choc du mercure sur le verre. Le roulement régulier ^n’en produit pas. J’en ai obtenu ilion appareil ^{de la façon} suivante : La vitesse de rotation étant suffisante pour déferler la pointe, j’incline fortement l’axe de rotation. La goutte prend ^alors.

la forme dissymétrique indiquée ^{en 3} (fig. 4) ~ ^la pointe ^{se résout en} gouttelettes qui

retombent en roulant sur le verre. Si l’inclinaison de l’axe est faible, ^leurs trajectoires ^net

sortent pas de la ^zone de roulement : il ne se produit ^aucune étincelle. Si l’inclinaison est suffisante pour que ^ces trajectoires sortent de la ^zone de roulement, ^il jaillit ^{des étincelle}

entre les gouttelettes et la masse principale ^du mercure au moment du contact. Dès lors, ^le

inécanisaià évident : les gouttelettes arrachées à la masse principale ^{ont une} charge

positive s ii te pour ètre ^au même potentiel qu’elle. ^Tant qu’elles ^{restent sur la zone de.}

67

roulement, elles sont en contact avec une surface diélectrique qui possède ^{encore la} charge n1igative nécessaire pour être ^en écluilibre ^avec elles : elles restent donc au même potentiel.

Au contraire, le roulement sur une surface diélectrique ^neutre leur enlève de nouvelles

charges négatives : ^leur potentiel ^croit.

6, Angle de raccordement verre-mercure. - I)ans le cas où la surface du mer- cure est en équilibre ^{sans roulement au} contact du _verre, soient par unité de surface :

L’angle de raccordement 7. des surfaces libres du Inercurc et du verre est relié à ces

trois quantilés par l’équation classique : ⁱ

.

ÏÏ.

’

(i)~

obtenue en écrivant que la variation totale d’énergie ^est nulle pour ^un déplacement ^infini-

ment petit ^de l’équilibre (’). ^{Pour les} parties des intersurfaces au voisinage immédiat de la

ligne ^de raccordement, ^ce déplacement ^de l’équilibre équivaut ^{à un} roulement infiniment lent. Les phénomènes ^décrits permettent d’élucider la nature de Ii ^et Tg ^et d’expliquer ^en partie les variations si souvent observées de a.

La différence entre A ^et 7°1 ^est uniquement ^{due à une} différence dans la distribution des particules électrisées à la surface du liquide, ^à la fixation par la surface du ^verre d’ions.

et d’électrons provenant ^du liquide, ^au déplacement ^des particules électrisées dans le _verre, c’est-à-dire à sa polarisation. ^Un roulement infiniment lent ne laisse subsister à la surface

duvere, toujours ^un peu conductrice, ^aucune charge électrique ^libre. L’énergie ^résiduelle 7~ ^ne peut ^{donc être due} qu’à ^un résidu de la polarisation du diélectrique. Les variations de l’angle ^de raccordement, pour ^{un verre} dont la surface est homogène (8), ^{sont donc} attribuybles ^à l’hystérésis diélectrique. Lorsque ^la position d’équilibre, ^{est atteinte} par accroissement de la surface de contact, la surface libre du verre étant à l’état neutre, Tg ^est nul, i ^est minimum. Dans le cas contraire, lorsqu’il y ^a arrachement du mercure, le ^verre reste partiellement polarisé, ^{et x} sont maxima. C’est bien ^ce que constate l’expérience.

7. Rouleme-nt réel.

Dans le cas du roulement réel, la transformation des surfaces

se faisant avec une vitesse finie, ^les énergies superticielles ont, ^au voisinage ^{de la} ligne ^de raccordement, des valeurs différentes de leurs valeurs statiques. La différence est certai- nement petite pour la surface libre du ^mercore conductrice et constamment renouvelée par

l’agitation thermique. Les valeurs statique ^et dynamique ^de A sont très peu différentes. Il,, en est tout autrement des intersurfaces ver?.e-liqiiide ^et par suite des phéno-

inènes d’hystérésis ^{et de viscosité} diélectriques. ^{Soient et} les ^valeurs dynamiques ^de

leurs énergies superficielles. ^{Le cas le} plus intéressant est celui où il y ^a arrachement du

mercure,. Si la durée du contact a été suffisante, l’énergie ^de l’intersurface de contact a~ eu

le temps d’atteindre sa valeur statique :

Ti

Au contraire, la surface libre du verre conserve un certain temps tout] ^{ou partie de}

l’état électrique ^{contracté au} contact du métal. Le changement produit dans cet état par () ^BouAssE. Capillarité, § 107, 1O8, ^{li6 et} sq.

(g ) ^La surface de

fondu la plus propre n’est jamais parfaitement homogène, ^aussi bien-au point

de

physique que chimique. ^{Le roulement} prolongé

parait améliorer beaucoup cettemhomogénéitée Après

cinquantaine d’heures, ^il

^subsiste plus que quelques

^où l’angle de raccordement paraît nul et quelques points ^où l’adhérence du

est très grande. ^D’autre part, ^{si l’on} photographieà’lle

ballon à travers

secteur découpé ^dans

disque opaque ^fixé contre

fond, l’image ^obtenue aiun

éclairement irrégulier. ^{Certains secteurs sont} plus éclairés,

^{si la} décharge jetait des éclairs lorsque le ballon passe par certaines positions. Certains de

éclairs sont dus Irès probablement ^à la forme irré-

gulière du ballon : la pression ^{contre la} paroi et la vitesse d’arrachement

sont pas parfaitement

tantes. Mais certains peuvent être dus à des défauts d’homogé’1éité ^{de la} surface du

68

l’arrachement est d’autant plus petit que la vitesse de roulement est plus grande. ^doit

tendre ^{vers un} maximum quand ^{la vitesse} croît. Ce maximum est vite atteint ; ^en effet, ^la décharge électrique ^se produit dès que la vitesse de roulement dépasse quelques millimètres par seconde. A la vitesse de 100 cm par seconde, ^le premier changement visible dans l’état de la surface libre du verre se traduit par l’émission de la deuxième houppe 1 /100 ^seconde après l’arrachement.

Il est difficile de déterminer exactement la valeur de En effet, l’équation (1) ^n’est plus strictement applicable, l’énergie cinétique ^{et la} viscosité du liquide ^n’étant plus négli- geables. ^Au voisinage ^{de la} ligne d’arrachement, ^les trajectoires ^des particules liquides ^ont

de fortes courbures ; ^la pression exercée par le liquide ^{sur sa surface libre est} plus grande

que la pression statique :

^en est diminué. En appliquant l’équation (1) ^{au cas} d’un roule- ment réel, ^on n’obtiendra donc qu’une ^valeur approchée par défaut

L’appareil utilisé dans les expériences précédentes ^{ne m’a} permis qu’une évaluation, grossière ^{sans doute, mais} déjà intéressante de a ; j’ai ^{mesuré cet} angle ^en déterminant la direction suivant laquelle je ^cessais d’apercevoir ^{sur le} ménisque ^le reflet d’un ciel fortement éclairé. La valeur statique ^de a, 7’., n’étant certainement pas nul, est très voisine de 60°. On

a donc :

Comme le fait prévoir la discussion précédente, a augmente ^d’abord rapidement ^avec

la vitesse, passe par ^un maximum, puis diminue lentement. Pour une vitesse linéaire de roulement de 10 cm : s, ^a est déjà voisin de 80°. Les oscillations de la goutte gênent ^alors

.

les observations. Au moment où elles cessent, la valeur de d le long ^{de la} pointe ^obtuse qui

se forme croît jusqu’à ^{87°. C’est} la valeur maximum que j’aie observée. Pour les vitesses

supérieures, ^la pointe ^devient aiguë,

^{diminue au} voisinage de l’extrême pointe ^{où les mou-}

vements tourbillonnaires sont violents et irréguliers. ^{Il conserve} longtemps ^une valeur peu différente de 90°, ^{là où la} ligne d’arrachement a une faible courbure.

L’angle ^de raccordement reste donc toujours aigu, ^{mais son maximum diffère} peu de 90°. ~g reste donc inférieur à Tl, ^{mais sa} valeur maximum n’en diffère que de 1~’~0 ii , ^moins

de de la valeur I l. L’énergie de la surface libre du verre est donc, ^{au delà} d’une certaine vitesse de roulement, ^assez peu différente de l’énergie de l’intersurface de contact. Cette dernière était donc localisée dans le verre et à sa surface.

8. Etat du métal et du diélectrique ^{à leur contact.}

Je conclus de ceci que la couche électrique complexe qui maintient le métal en équilibre ^au contact du verre est dans le solide. Elle est produite par la polarisation ^{du verre} et par la solidification à ^sa surface de particules électrisés enlevées au métal. Parmi ces dernières, il y ^a beaucoup plus ^d’élec-

trons que d’ions positifs. ^{Il est} visible, d’après l’action de la température, que l’adhérence de ces derniers est un phénomène secondaire qui dépend ^{non des} conditions limites

d’équilibre ^du métal, ^{mais des} échanges de chaleur avec la paroi solide. Les électrons jouent

le rôle essentiel.

Les électrons solidifiés sont beaucoup moins nombreux que les molécules à la surface du liquide. La solidification d’un nombre d’électrons égal ^{au nombre des molécules en}

contact avec la surface solide donnerait naissance à un courant électrique ^{de l’ordre de} 0, 1 5 ampère, ^ce qui ^{est une} intensité invraisemblablement grande.

Il est possible ^{d’obtenir une limite} supérieure ^{du nombre} d’électrons fixés par le verre,

en évaluant le travail W absorbé pendant ^le roulement par l’extension de la surface libre

’

électrisée du verre. Soit Ds cette extension.

soit environ,

69 D’un autre côté, ^ce travail est proportionnel ^au nombre 1V d’électrons enlevés au mercure. Si e est la charge ^de l’électron ; V, ^un potentiel, ^{on a :}

En déterminant une valeur minimum de V, ^{on détermine une} valeur maximum de N.

Or, par suite de l’évolution spontanée ^{de la} surface électrisée du _verre, les électrons se

détachent de cette surface, emportant ^{sous forme} d’énergie cinétique ^son énergie ^électro- statique. Finalement, ^{le travail} W a servi à enlever électrons du mercure et à leur commu-

niquer ^une certaine vitesse. Soient 1~ ^le potentiel intrinsèque ^du mercure, et e. V, , l’énergie cinétique moyenne finale des électrons. Une valeur minimum de V ^{est :}

Les vitesses des électrons étant suffisantes pour provoquer l’émission du spectre ^d’arc

et l’ionisation de la vapeur de mercure, Vc ^{est au moins} égal ^au potentiel de résonance du mercure : Vr.

La valeur minimum de V :

correspond ^{à une densité} superficielle maximum de 17 X 14)t’ électrons par centimètre ^carré

soit environ un électron fixé pour 100 molécules ^au contact. L’intensité du courant corres-

pondante ^est 1,5 milliampère.

A l’erreur provenant ^{de la} trop faible valeur attribuée à V, ^{il faut} ajouter celle prove- nant d2s pertes d’énergie que j’ai négligées : perte par recombinaison des ions à la surface du verre, perte par hystérésis ^et conductibilité, par décharge incomplète ^de la surface. Ce n’est qu’une fraction et sans doute une petite fraction de ~g qui ^est dissipée ^{dans la} décharge électrique. ^Si j’en juge par comparaison ^avec l’éclat d’une décharge ^{continue à}

haute tension dans la vapeur de mercure, l’intensité est inférieure à 1,5 ^{et même à} 0,1 milliampère.

Les couches électriques de passage sont donc surtout produites par la polarisation ^du

verre. Le mercure fournit seulement l’excédent d’électricité négative nécessaire à l’existence de cette polarisation. ^{Il conserve} jusqu’au contact du diélectrique ^une structure peu diffé- rente de la structure oormale de sa masse. L’étude du contact verre-métal solide a déjà

conduit à la même conclusion. Pogany Ca) ^a montré que les couches métalliques ^minces.

déposées ^{sur du verre} passent, ^{au cours de leur} épaississement, par deux états physiques

successifs. Les couches très minces ont une structure anorlnale, leur résistivité et leurs indices optiques ^{varient avec leur} épaisseur. ^{Au-dessus d’une} épaisseurcritique, qui ^{varie de}

7 à 20 suivant la nature du métal, la structure devient homogène dans toute la masse, les couches de passage passent ^à l’extérieur du métal.

9. Nature de la polarisation ^{du verre.}

^{Les forces} exercées par le diélectrique ^sur

le métal sont donc, à peu de chose près, identiques à celle que le métal ^exerce lui-mème à travers une surface quelconque tracée à l’intérieur de sa masse. Le métal étant fluide, ^ces

forces sont celles qui transmettent l’énergie thermique. ^Elles sont, ^{au moins en} partie, ^de

nature électrique.

Les champs moléculaires dans le métal étant en connexion et les orbites des électrons extérieurs étant développées ^{à travers toute la masse} liquide, ^cette énergie thermique ^est répartie ^sous plusieurs formes différentes :

1° L’énergie cinétique proprement ^{dite des} particules qui donne lieu à des chocs élas-

tiques ^{et à une} pression ^{contre la} paroi ^solide.

2° L’énergie électromagnétique des oscillations dans les champs inter-moléculaires, oscillations liées aux mouvements des ions et des électrons. Ces oscillations constamment

émises, transmises et absorbées constituent ^en quelque ^{sorte le} rayonnement intérieur du

(9) Physik. Z1s , ^t.15 (191!~), p. 688 ; ^t.17 (1916), p. 25i.

Ann. der Phys., ^{t. 49} (1916), p. 531.

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métal. Au contact des gaz ^on des diélectriques transparents l’OUT les fréquences émises l’équilibre ^du liquide exige l’existence, au-delà des couches de - passage, d’une, certaine densité et d’une certaine répartition d’énergie rayonnante déterminées par la température

et la nature du métal. Au contact d’un corps absorbant, les conditions d’équilibre exigent

encore la transmission, à travers la surface de contact, d’une certaine quantité d’énergie électromagnétique par suite des différences existant ^entre les pouvoirs absorbants et les

’

"méeanisi>ies d’absorption des deux corps ^{au contact.}

3° ’L’énergie électrostatique ^et électrodynamique fonction des positions ^{et vitesses}

fdes particules électriques ^{dans les} champs intermoléculaires.

Ces trois formes d’énergie ^sont d’ailleurs étroitement liées par des équations ^de

propagation.

Le champ électrique ^{à la} surface du verre varie donc (l’lln point ^{a un autre} et, ^en chaque point, ^en fonction du temps. ^La polarisation ^ne peut ^être régulière et constante.

Elle ne ressemble ni à une orientation parallèle ^des molécules, ^comme celle constatée

Langmuir dans les couches d’impuretés, ^{ni à la} polarisation que produirait ^{une couche}

stable et uniforme d’électricité négative répandue à la surface du verre. Cette, dernière porte

en réalité côte à côte des charges positives! ^et négatives. ^{Le seul} phénomène qui ^me paraisse

fournir une image ^{de l’état de} polarisation ^{du verre est} celui de la réflexion totale. La distribution des champs dans les couches de passage doit ressembler à leur (distribution dans les ondes évanescentes de Caucly-, ^{dans le cas où le} rayonnement ^{réfléchi est} le rayon- nement thermique du métal et où la réflexion se fait simultanément sous toutes les inci- dences. C’est une polarisation ^confuse. Toutefois, la différence de potentiel totale entre ce mercure elles couches profondes ^{du verre le} long d’une droite quelconque ^{doit ’rester}

constante. L’expérience ^{nous a} prouvé d’ailleurs qu’il ^fallait un temps notable et une éx-o- lution visible pour que cet état de polarisation confuse, entretenu par l’agitation thermique

dans le mercure, ^se transforme, après l’arrachement, ^{en la} polarisation régulière qui ^cor- respond à l’existence à la surface du verre d’une couche continue d’électricité négative.

Manuscrit reçu le 30 déCf’nlhre’i921.