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Submitted on 1 Jan 1907
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M. Moulin
To cite this version:
M. Moulin. Sur les égaliseurs de potentiel. Radium (Paris), 1907, 4 (1), pp.6-27. �10.1051/ra- dium:01907004010600�. �jpa-00242220�
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Sur les égaliseurs de potentiel
Par M. MOULIN
[Laboratoire de physique du Collège de France 1. - Introduction.
Es égaliseurs de potentiel employés actuellement
L en météorologie, pour l’étude du champ élec-
~~*~ tricluc de la terre, peuvent se classer en deux groupes bien distincts :
10 Les appareils à écoulement d’eau ou d’iiii liquide quelconque (égaliseur nlécanique) ;
2° Les flammes, les mèches, les sels de radium
«lui se mettent en équilibre sous l’influence des ions
produits en leur voisinage).
Il est facile de voir que l’égaliseur à écoulement
d’eau se met exactenlent en équilibre avec la surface
équipotentielle qui passe par le point où le jet se
brise en gouttes ; le champ étant alors nul en ce
point, les gouttes n’emportent, en effct, aucune charge
et ces petites gouttes non chargées ne produisent
aucune perturbation du champ. La seule perturbation possible est due à la présence du tube d’écoulement, niais le potentiel mesuré scra toujours proportionnel
au potentiel vrai.
Les prises de potentiel du deuxième groupe lais- sent au contraire échapper dans l’atmosphère des charges positives et négatives qui sc déplacent dans
le champ, les unes vers le bas, les autres vers le haut,
et il est possible que, par suite de leur accumulation,
une perturbation variable avec le vent puisse se faire
sentir. Différents expérimentateurs ont effectivement observé des variations correspondant à celles du vent
et ne pouvant s’interpréter par des variations du
champ. ,
Sauf le radium, ces égà~liseurs de potentiel (inJpro- prClnent appelés aussi collecteurs d’électricité atmos-
phérique), sont connus depuis longtell1ps, lTolta em- ployait des flammes, des mèches soufrées’ ou impré- gnées d’alcool, de l’amadou, etc., Lord {lBclvin; pdu,r
son électromètre portatif, se servait de méches dé
papier imprégné de nitrate de plonib. Dans ces der-
nièrcs années, on â surtout employée les flamnes, les
mèches ont été délaissées et n’ont servi que dans
des cas très particuliers. Aujourd’hui, on ténd de plus en plus a utiliser les sels de radium, même pour
les installations fixes, à cause de leur grande com-
modité.
De nombreux essais ont été faits dans le but de vérifier si ces différents procédés conduisaient aux
mêmes ré~uhab. boit au dehors par comparaison
directe dans le champ variable de la terre à l’aide de
mesurcs croisées, soit en plaçant la prise de potentiel
a étudier dans un cylindre de Faraday charge a po- .
tentiel connu, soit, enfin,. en la portant dans un champ électrique artificiel connu et constant, au laboratoire.
Malheureusement, la plupart de ces essais ont été
faits à une époque ou le mécanisme de la mise en
équilibre était complètement inconnu, de sorte que certaines conclusions ont pu sembler contradictoires.
Je rappellerai brièvement les résultats les plus i111-
portants obtenus dans cette voie; comme nous le ver-
rons, ces résultats sont entièrcment différents, sui-
vant t la méthode employée.
~I. Pellat t a signalé en 1885 que les nlt’ches ai nitrate de plnmb, brûlant dans une pièce formant
cage de Faraday, et dont l’air n’était pas électrisé, prenaient toujours un excès de potentiel de plusieurs
volts sur celui des murs de la salle. Il interprétait
ces résultats en admeftant l’existence d’une cc force électromotrice de combustion n, d’ailleurs variable
au cours de la combustion d’une même mèche. Il
indiquait, de plus, que Ro1-sque la partie en ignition
descendait jusqu’à la pointe de laiton qui supportait
la méche, en formant une eoufoi1Í1e autour d’elle, cet
excès de potentiel pouvait atteindre plus de cent volts.
~I. G. Le Cadet2 a repris l’étude de ces mèches à propos de ses mesures en ballon. Il faisait « fuser »
la mèche étudiée-, reliée a un électroscope, dans un réservoir (~0 X 50 ~ h0) fonctionnant comme cy- lindre de Faraday, chargé et relié a un dcuxiènlc électroscope auquel il comparait les indications du
premier. Les mèches donnaient, dans ces conditions,
un potentiel trop faible de 2 à 10 volls et l’erreur allait en augmentant à mesure que la combustion se
prolongeait, lorsqu’elles laissaient des résidus solides adhérents. Dans le cas où la mèche était suspendue verticalement, la pointe en bas, le potentiel diminuait jusqu’à s’annuler parfois, quand la fumée et les gaz
chauds enveloppaient la mèche comme d’une gaine.
Quand l’air était agité, et que les cendres étaient tombées, on obtenait dans tous les cas la déviation maximal
1. Cc mémoire est égalei-nent publié dans le~, Itiiittles de Chimie et due Pliysiquc.
’
1. ~~CLL 1T. Joccwt. PtEy~iEl., 2c série, t. 4, ’1885, p. ’tJ4.
’ 2. LE CADb,’1’..Îilil. de L’UlttUCi’sElé de Lyon, f’asc. ÀÀÀi,
~ôl)8,
3, J’indiquerai à propos des mèches quellc intcrprélation oit peut donner de ces résultats.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01907004010600
Ultérieurement, ~l. y. Conrad 1 retrouve les résul- tatsde M. l’cllat et il oJJtienl pour une luènle mèche des indications ciifférarlt d’environ ll volts selon
qu’elle est recouverte de cendres ou qu’elle en est
débarrassée par un courant d’air. Il attribue, ct c’était
probablement l’idée de 1’ulta (qui indiquait l’emploi
de corps donnant t de la fuméc sans llamiiie), la mise
en équilibre de ce genre de collecteur à la fumée qui
s’en écl~appc. Pour ne pas avoirà revenir sur ce point, je ferai remarquer ici que la fumée est pour peu de chose et peut être pour rien dans le phénomène, car
des corps, tels que de l’amadou de mauvaise qualité qui laissent énormément de cendres, tout en donnant de la fumée cn plus grande quantité que les meil- leures mèches, ne s’équilibrent que très difficilement
et au bout d’un temps considérable.
En présence des résultats que lui avaient fourni les mèches, ~1. Pcllat ~ 1 a étudié au cylindre de Fa- raday une petite flamme de gaz : la mise en équi-
libre est rapide, la charge spontanée est nulle, aux
différences de potentiel de contact près ; ~L Exner
a préféré la llan1n1e pour ses appareils portatifs, car
son grand débit électrique coinpensc les défauts d’iso- lcment qui pourraient se produire. Il a employé
d’abord une petite bougie munie d’un fil de platinc plongeant dans la flamme, puis d’une lampe métal- lique u pétrole à cheminée métalliquc. àill. Elstei et
Ceitel,et bien d’autres expérÏ1nentateurs ,ont fait aussi
de nombreuses mesures avec les lampes. 11 en existe plusieurs modèles, mais elles ont l’inconvénient de s’éteindre au vent. Il. Le Cadet les remplace avanta- geusement, à cc point de vue, par de petites lampes
à acétylèlle.
1~. NvesendonckÔ a comparé les indications de la llamme à celle de l’écoulelnent d’eau : la flamnle donnait le potentiel d’une région située à quelques
centimètres au-dessus de sa pointe, région dont la
hauteur était d’ailleurs variable.
Les recherches les plus intéressantes qui aient été
faites au point de vue de la comparaison des prises
de potentiel sont celles de M. Henning ~ 1 qui, à la
suite d’essais succints du Dr Dorn, a essayé, sur les
conseils de ce dernier, les flammes et les substances radioactives en les plaçant dans un champ créé entre
deux plateaux de grillage métallique de 4 mètres de surf ace. Il a utilisé 0,1 gramme de chlorure de ba- ryum radifère d’ae[in ité 2 10 collé, soit avec du Sllcre, soit avec de la gomme laque, ai l’extrémité d’uii petit cBlindre de laiton emmanché au buut d’une tige d’ého- llitc, une petite lampe à alcool de mêmes dimensions et une lampe d’Elster et Geitel. Le potentiel théorique en chaque point était calculé en supposant le champ
uniforme. La distance des plateaux variait entre :)0
et 70 centimètres, la différence de potentiel totale
était de C02 volts.
Dans un champ horizontal, la Î~a111111E’. indiquait le potentiel théorique; dans un champ vertical, au con-
traire, elle indiquait le potentiel d’une région située
au-dessus d’elle, l’erreur étant en moyenne d’une cin-
quantaine de volts et restant constante pour les difl’é-
rents points du champ. Les sels de radium donnaient
toujours le potentiel d’une région située trop près du plateau vers lequel était tourné le sel, avec une erreur
moyenne et constante d’une vingtaine de volts ; ils
donnaient le potentiel théorique quand la surface du
sel était parallèle aux lignes de force. Ces résultats sont indépendants du sens du champ, à une très petite
différence près dans la valeur des écarts. D’après l’au-
teur, cc on trouve une explication suffisante de ces
résultats en admettant que les ions se meuvent en plns grande quantité du côté où il n’y a aucun obstacle d’interposé et que l’ion négatif se meut plus vite que l’ion positif. Dans les cas oil le sel est tourné vers le
haut le collecteur lui-même cmpèchc les ions de sc répandre aussi rébulièrelnent vers le bas que vers le haut. Avec les flammes, il y un courant d’air ascen-
dant qui, par sureroit, favorise le mouvement }> . . Les écarts dùs à l’inversion du champ s’expliquent bien
par la différence de mobilité, les ions positifs s’accu-
mulant en plus grand nombre, au voisinage du col- lecteur, que lcs négatifs et ayant par suite une in- fluence plus grande.
Cette conclusion semble assez peu claire, il impor-
terait cependant d’ètre fixé sur l’origine exacte de la dissymétrie si l’OH veut discuter l’effet du vent. Il. llell- iiing a fait quelques essais dans le vent sans résultat certain. Il avait trouvé un écart constant de 12 à 1~ volts entre les indications de la lampe d’Elster et
Geitel et cclles du radium, au laboratoire; il a retrouvé
cette mème différence d’indication dans des mesures
croisées sur un espace découvert dans le champ de la
terre. Toutefois, les variations du champ ~ont de
même ordre. Cette curieuse coïncidence 11e s est pas retrouvée un autre jour, a cause, dit-il, de ci1-coii- st-itices défavorables, le champ variant eatraol’dinai- rcm~nt vite. Quoi qu’il en soit, nous ne pouvons en tirer aucunc conclusion sur l’ef~’ut du vent sur l’une
ou l’autre prise de potentiel., cet effet peut ètrc le même, lnais il est invraisemblable que les indications aient une différence constante, alors que cc> l:ollec- Leurs ne prennent aucune charge spontanée, comme
1 ont montré les essais au cylindre de Faraday.
Dans le but de faire de nouvelles recherches en bal-
lon, ~1. Linke~ 1 a refait des expériences comparatives
entre l’écoulement d’eau, les flammes et les sels de
radium, mais plutôt dans le but de déterminer la 1. V. CO~HBD. 11’icu. I~PO., 111 [°Z a], ~1902, p. 333.
2. PELLAT. loe. cit., p. 253.
3. i"EsEiDnxcK. lnctuntc~. R2~ml~elt, ’15, 233, 1900.
4. F. H~:~~m. Aii~t. der Physil.:., 1902, 7, p. 895. I. LIXKE. PhY8iA’, Zcitsch., 1903, ~~. 661.
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vitesse de mise cll r(,giiiie. Lécoulementdcau et la uamme ont été étudiées au cBlindre de Parada) ( 100 X 100 X 1 :)0). Cc (’ ~ lind l’P 11’ il pli ~er’ il’ pOlir le
lvcdiulll, llUl UU1117~11f, L1I117s (’(.~ l’OIIdlIllllls. 111t poL(ln(il’1
dinérant dune vingtaine de B 0 lt ~ de celui dll (’~111111r(’.
Ceci semble contraire a ce que l’ull sait 1 sur les sels ((c radium; cet effet ne peut 1’1’0B enir que d’une fuite
provoquée par les r~i1()lls pénétrants ou par des ions
t p1Î, ~ ’échappan L du cylindre (dans lequel le champ
tend al s’annuler) soit llal’ ditfusion, soit sous l’innuence de courants d air, all’l’1l~llt au voisinage du conducteur
qui se rend a 1 électroscope; il 11C peut être dll ii une accumulation d’ioiis à l’intérieur, ces ions d’llll seul
signe disparaîtraient en un tenlps très court sous l’in- fluence de leur répulsion mutuelle. Dans le cas du
radium, 11. Linke se servait d’une surface grillagée,
isolée et étendu horizontalement, à 50 ou l1O cetiti- mètres au-dessus de laquelle il plaçait le sel. Ce sel était uiitcriiié dans un tube de icr1-c et avait été
emploie ii ("ùtiii>gcn pour 1 enregistrement. Le radium
ne donnait pas le potentiel nlesuré par l’écoulement d’eau, mais un potentiel inférieur de plus de 10 volts ;
cettc différcncc (lui diminue sous l’influencc d’un courant d’air provenant, d’après l’auteur, d’ions accu-
lnulés i au voisinage du tube et aussi de cc que l’air est ionisé au voisinage des conducteurs qui le relient a l’électroscope. L’équilibre ne se ferait pas à l’endroit uil se trouve la substance radlU-actlVC, mais en un
point intermédiaire entre celle-ci et l’électroscope. Au contraire, avec les flammes, les ions seraient, d’après l’auteur, enlevées par le courant d’air ascendant et ne
pourraient agir; mais, il ajoute qu’il a constaté que
« en plein air, à chaque variations du vent correspond
une variation de l’indication qui ne peut être attribuée
à une variation de la chute de potentiel. » Il conclut :
« les collecteurs au radium donnent, selon leur forme, des résultats entièrement dillérents qui dépendent en grande partie de la direction et de la vitesse du courant d’air. Pour de plus grandes vitesses du vent, une nou- ,%,elle augmentation de cette vitesse est sans influence. »
~I. Moureaux- a fait, en mars ~ JO~, à l’observatoire du Parc Saint-:Maur, des essais de prises de potenticl
au radium préparées et prêtées par Curie. Le sel était
placé dans une cavité ménagée dans un disque de
cuivre et recouvert d’une lame mince d’ébonite scellée, de manière à faire du tout une boîte étanche. La
capsule ainsi constituée était disposée, par jour de
lacau temps, à l’extrémité du tube d’écoulement de
l’enregistreur de l’observatoire pendant quelquesheures puis 011 rétablissait l’écoulclllent. Il était alors facile de vérifier le fonctionnement de cette capsule d’après l’aspect de la courbe obtenue. Les dcux première
f’ap~uh’~ ainsi étudiées, contenant lune du chlorure radifère d’activité inconnue, 1’;iuii’,, 0,1 gramme
d’activité ~)000~ se mettaient beaucoup trop lentement
en é«(11Îlihl’e et ne donnaient a,wl1nt’de~ ’a,’iali()u~ I..(.~
rapides que présentent tes courbes dans cette station.
De 11I11Sj Ic llotcnticl illclulll~~ était nettement tropiaibte,
mais malgré la netteté des ,ourl>>;, il ii>> sii>1>lt~ im-
possilde de conclure il ce sujet: il a été 1’ait trop peu d’essais (ces essais interrompant le service de l’ullscr-
Batoire) et cet écart semble explicable par une fuite
légère qui prend de l’importance dans le cas d une mise
en équilibre lente et qui peut être duc à la présence de
la lampe a essence de l’enregistreur photographique.
Une autre capsule contenant la même quantité de sel
d’activité 50000 donnait des résultats tout u fait com-
parables à ceux obtenus par l’écoulement d eau ; la mise en équilibre est rapide, le raccordement pariait.
Il cst bon d’ajouter nue, pendant ces essais, le rollec-
leur était bien ventilé par un vent moyen de quelques
métrés par seconde.
Cette capsule est restée en service depuis 1905 à
l’obsur;aiui1-c sans nécessiter une aussi grande sur-
veillance que l’écoulelllent d’eau. L’ébonite a été
remplacée par une feuille d’aluminium qui absorbait moins, puis, cette feuille s’étant percée, le sel séché a
été recouvert d’une couche de vernis de voiture.
Ces résultats sont intéressants en ce sens que le sel de radium a été utilisé d’une façon pratique pendant
trois ans et qu’il a toujours donné des courbes pré-
sentant le même caractère, par tous les vents. Il ne
s’en suit pas que les mesures soient rigoureuses par vent faible, mais des essais de ce genre peu vent donner des résultats précieux au sujet de l’activité du sel à
employer pour des installations fixes.
M. Armet de Lisle construit actuellement des prises
de potentiel en forme de disque de 6 centimètres de diamètre sur lequel est collé, à l’aide d’une couche mince de vernis spécial très résistant et peu absor-
bant, 5 milligrammes de sulfate r d’activité 20 000.
Les seuls rayons intéressants pour nous sont, comme
nous le verrons plus loin, les rayons doux qui produi-
sent une ionisation superficielle : les prises Armel de
Lisle se montrent plus actives en leur voisinage immé-
diat que celle du Parc Saint-Maur. L’emploi de ce
vernis permet donc d’obtenir une bien meilleure utili- sation du sel, et de diminuer la proportion de rayons
pénétrants nuisibles. De plus, le prix de ces collec-
teurs qui aurait été inabordable a pu diminuer dans 1tJ rapport de 500 à 1.
En somme, nous voyons que ces essais ont conduit leurs auteurs a dcs résultats qui diffèrent notablement,
1. En 1 absence de tout courant d’air, l’effet des ions accu-
mulés devait être faible ou inverse à cause de la différence des volumes d’air au-dessous et au-dessus de la prise, comme cela
résulte des courbes IV et III de la figurc 5.
2. ~Iocarar~. Le Radiicna, juin 1904.
9. Le chlorure employé au Parc Saint-ilaur a l’inconvénient d’être soluble. Si de l’eau vient à passer sous le vernis, le sel se mouillc et son activité diminue à tel point quc la prise ne
fonctionne plus. Il faut alors sécher le sel et revernir. Ceci ii>
;e produit pas avec le sulfate insoluble.
suivant la méthode employée, et qui rendraient ~l faire rejeter tous ces collecteurs. Il était toutefois interessatit d’examiner (Fun peu plus près leurs condi- Lion,,- (te tonetiotuiemeut, surtout 1 l’air til)re: sur les
1"ig, 1. - J>isqiic pour pribc de putcntiul,
conseils de M. Langevin, j’ai entrepris dans cette voie
les recherches qui vont suivre.
Nous étudieront pour chacun de ces ébaliseurs, la
manière dont se fait la perturbation en air calme, puis
nous verrons comnent ils se comportcnt dans le vent;
les conditions dans lesquelles il faudra les employer
sc préciseront immédiatement.
Il. - Sels de radium.
Je mc suis servi de trois prises de potentiel à sul-
l’ate radifère collé (dcux d’entre elles m’avaient été confinées par Curic, la troisième, da 1 ype Armel de
fig 2.
L,islc, m’avait été prêtée j>i1 )t. Salles) et d’une petite tige à l’extrémité de laquelle était colle un petit grain
de sulfate d’activité 100000, obligeamment mise à ma disposition par )1. Armet de Lisle. Les deux premières,
construites depuis déjà assez longtemps, contenaient rune une quantité inconnue de sel d’activité 300,
1 antre, une quanti te beaucoup plus faible de sel plus
aciii. An ibnd, ces données n ont de valeur qu’au puint de vue de la cottstruclion de ces prises; cc qui
nous Intéresse surfont, c’est la valeur de leur acli- B¡lé totale, après absorption d’une partie du rayon- nement par lc Bcrois, et la répartition de 1 intensité de 1 ionisation avcc la distance en leur voisinage’.
l. L’étude du rayonnement a élé faite par la méthode ordi- lairc cl mesurant le cuuralt de saturation que l’ou peut l’airc passer ciaus une lame d’air d’épaisseur connue et constante sou-
misc à l’action de ce rayonnement, pour différentes distances du sol. Le lnontagc étil le suivant (Boir lig. 2~ :
La laine d’air soumise au rayonnement était conlprisc mutre
les armatures d’tau condensateur plan it anneau de garcle, L’une
de ces armatures était constituée par une toile métallique 11,
l’autre armaturc, par un disque de plomb épais 1) "formallt l’an-
neau de garde, au centre duquel se trouvait uu petit disque C
de laiton, isolé à la paraffine et relie à 1 une dcs paires de quadrants duc 1 électromètre E (employé suivant la méthode
liétérostatiquc). La toile métallique était chargée à 180 %olt,,
par rapport à l’autre paire de quadrants, à l’anneau de garde l’
et aux écrans électrostatiques entourant le système isolé C, E.
La prise de potentiel se déplaçait verticalement au-dessus de ce
condensateur et, son rayonnement traversant la toile métal-
lique, produisait l’ionisation de la lame d’air". L’anneau de
garde et le disque central C étaient tapissés sur leur face interne d’une feuille de papier lour supprimer autant que possible le rayonnement secondaire.
Les mesures ont été faites en déterminant la vitesse de dé- viation de l’aiguille. Cette méthode de mesure donne de bons résultats si la vitesse de la déviation est assez faible pour que l’on puisse effectuer la mesure dans les conditions que j’indi- ducrai tout à lïleUl’e. Quand les disques étaient tout I~rcs du
condensateur de incsure, les courants obtenus étant relative- ment intenses, un condensateur de Kelvin de 0,0024 microf., placu en dérivation sur lc système isolé, ramenait la vitesse de déviation à une valeur convenable. Le rapport des sensibilité obtenues sans ce condensateur auxiliaire ou avec lui était 17,2.
Lc système C E, primitivement relié à l’anlteau de garde et
aux écrans par l’interlnédiaire de la clef K, est isolé au moment de f’airc la mesure et on détermine le temps t que met l’image
pour passer de la 4l¡vision Il de l’écllellc il la division rt’; comme il est facile de connailre, au moyen du condensateur auxiliaire de capacité connuc la quantité d’électricité Q qui correspond à
une division de l" 1 Il le rapport ~rt ~’r’ ~ Q 1 la valeur
une division de l’échelle. le rapport ~2013201320132013L. donne la valeur du courant Mais il faut remarquer que, par suite de l’inertie de l’aiguille et de son amortissement, ceci Il’C8t ca‘acl que si l’on cattzttaence la »tesitm au bout d’un temps égal crtc le~taps b c~uc tttet l’ccigtcille, dél’iéc en char~ecttrf l’amtratttne 11 dit cortdeu- sateur, pour ~tlteïtzdrc sa position cl’c~qztil~Gr~c ~ un coulièutc prè8, par ex~cnt~le. Cc1emps, pour l’éleclromètre quej’tticiiiplové .
et aussi pour l’éleclromètrc Curic est d’environ 20 secondes et ne
dépend sensiblement pas de la capacité du système. On peut toutefois, si la clef li ne produit aucune perturbation il la ruj> ture* * ,
commencer la mesure au moment même dc la rupture en mesu-
rant un temps supérieur atu temps 0 et en corrigeant le temps
J’ ’ . (1
1 l,.
d’une quantité constante - l,, ct étant la cllstante d’amortisse- ment et I’ le couple total mécanique et électrique agissant sur l’aiguille, dans les conditions de la mesure’*>. Celte constante
* Quand le disque n’était pas au contact de la toile métal-
lique, il était relié aux écrans pour que le champ qui existe
alors entre lui et cette toile métallique empêche les ions pro- duits à l’extérieur du condensateur de pénétrer par diffusion à trav crs les mailles.
°’ Celte perturbatIOll n’existe pas s’il n’y a aunll1 frottement:, ’l la rupture. L’électromètre que j’ai employé, construit ;ui~ n~e~
inrlications par la Compagnie des Compteurs comportait un petit
ressort muni d’une pointe appuyant sur un plan et commandé à
distance au moyen d’un électro-aimant,
""’
Voir la Note sur rElecl1’omNre à quadrants, qui sera pulJliée ultérieurement.
