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Etude des propriétés des cellules photoélectriques Fournier

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Academic year: 2022

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HAL Id: jpa-00205348

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00205348

Submitted on 1 Jan 1928

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Etude des propriétés des cellules photoélectriques Fournier

R. Dubois

To cite this version:

R. Dubois. Etude des propriétés des cellules photoélectriques Fournier. J. Phys. Radium, 1928, 9

(10), pp.310-336. �10.1051/jphysrad:01928009010031000�. �jpa-00205348�

(2)

ETUDE DES PROPRIÉTÉS DES CELLULES PHOTOÉLECTRIQUES FOURNIER

Par M. R. DUBOIS, Ingénieur E. P. C. I.

Sommaire. 2014 Les cellules Fournier sont constituées par un dépôt cristallisé très mince de sulfures métalliques dont la résistance varie avec l’éclairement. Leurs propriétés

sont différentes de celles du sélénium, en particulier elles peuvent être utilisées pour des éclairements modulés à des fréquences très élevées (ultra-sonores) et de plus leur sensibi- lité s’étend dans le visible et le proche infra-rouge de ), = 0,5 03BC à 03BB = 1,3 03BC.

Leurs propriétés sont très complexes : l’étude du courant d’obscurité, de l’influen ce

d’un éclairement antérieur, de l’effet d’une tension continue, puis de tensions inversées et enfin d’une tension alternative sur ces cellules apporte de nombreux faits expérimentaux

concernant le mécanisme suivant lequel la lumière modifie la résistance de ces couches cristallines.

Une théorie rendant compte des faits décrits et tentant de donner une explication simple de la photoconductivité dissymétrique, est proposée et discutée.

Pour terminer, quelques applications sont indiquées av ec les précautions qui résulte nt

des propriétés très spéciales des cellules Fournier.

La présente étude a été entreprise dans le but de préciser les conditions d’emploi des

cellules Fournier dont nous avions besoin pour des mesures de photocolorimétrie.

Les résultats obtenus ont été si intéressanl s au point de vue théorique que nous avons

pensé qu’il était utile de les faire connaître, car ils fournissent des renseignements nouveaux

sur l’action des radiations lumineuses sur la matière. Nous nous excusons des lacunes qui

se présenteront au cours de ce travail, certaines parties nécessiteraient une exploration plus complète, mais nous avons d’abord cherché à réunir les éléments expérimentaux permettant

de comprendre l’ensemble des propriétés particulières de ces cellules.

D’autre part, nous ne présentons ici qu’un résumé relativement succinct des résultats

obtenus; bien que plusieurs cellules aient été étudiées en détail, nous ne donnons que les courbes principales relevées sur l’une d’entre elles, les autres résultats étant en accord avec

ceux que nous décrivons.

1. Généralités sur les cellules Fournier. - Les cellules Fournier (1) constituent des résistances variant sous l’action des radiations de longueur d’onde comprise entre 0,5 [J. et 1,3 ¡J.. Elles se présentent sous la forme d’une ampoule vide d’air contenant un disque

de quartz maintenu entre deux pièces d’aluminium servant d’électrodes. Sur le quartz se

trouve la couche sensible qui est un dépôt cristallisé dont la composition et le mode de prépa-

ration sont jusqu’ici tenus secrets par les constructeurs.

Des électrodes de plomb pur assurent le contact entre la couche sensible et les supports

du disque.

Le cliché ci-contre (lig. 1) représente leur aspect extérieur. La résistance de ce-, éléments dans l’obscurité est très grande, de l’ordre de 100 mégohms et il est recommandé de ne pas leur appliquer de tensions supérieures à 40 volts, car elles sont généralement altérées par les tensions élevées qui donnent lieu à de fortes variations de résistance, comprenant une

diminution lente très marquée et des fluctuations distribuées au hasard dans le temps.

2. Propriétés des cellules Fournier. - Le phénomène fondamental est que leur résistance décroît sous l’action de la lumière. L’illumination produit immédiatement une

diminution très rapide de la résistance : il n’y a pas de retard entre la cause et le début de

l’effet, mais on n’obtient pas aussitôt une valeur définitive de la résistance : celle-ci continue à décroître lentement pendant fort longtemps.

(t) Les cellules Fournier sont construites industriellement par la Société CE-NIA, qui nous a iourni les cellules utilisées dans ce travail.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01928009010031000

(3)

La relation entre la résistance, l’éclairement et le temps a été le premier point que notas ayons cherché à préciser. Nous avons immédiatement constaté que les résultats dépendaient beaucoup du mode opératoire, ce qui nous a permis de découvrir une forte influence du passage du courant sur les propriétés de la cellule.

Nous avons donc tenu à préciser d’abord l’influence des différents paramètres sur le

courant d’obscurité.

Fig, L - Cellule l-ournier, petit modèle. Cellule Fournier, grand modèle.

3. Etude du courant d’obscurité : fatigue due au courant ou fatigue élec- trique. - Une cellule étant conservée dans l’obscurité, peut-on considérer sa résistance

comme définie?

L’expérience indique que non, car le courant qui traverse la cellule inodifie profondé-

Fig. 2.

-

Schéma de montage de mesure du courant photoélectrique.

ment la résistance. Nous verrons que, pour une cellule qui est depuis longtemps dans l’obscurité, la résistance diminue avec le temps et cela d’autant plus que la tension appliquée

est plus grande. Il en résulte que la loi d’Ohm n’est pas applicable, même à un instant

donné : la croissance du courant en fonction de la tension est plus rapide que la simple proportionnalité.

Pour cette mesure le dispositif expérimental est très simple : on constitue un circuit en

fil très bien isolé comprenant une pile de 0 à 45 volts, un galvanomètre, un inverseur et la

cellule protégée par une enveloppe métallique épaisse qui arrête tout rayonnement lumi-

neux (fig. 2).

(4)

Pour étu’der l’influence de la durée, on trace la courbe i = f (t) à tension constante.

La figure 3 représente une des courbes relevées dans ces conditions sur me cellule conservée dans l’obscurité depnis plusienrs semaines.

La croissance est d’allure parabolique. lln’a pas été possible jusqu’ici de préciser s’il y avait asymptote Cela semblerait probable, parce que nous verrons plus loin que, lorsque

la cellule a subi un fort éclairement préalable, on peut observrer une décroissance prolongée

du courant avec le temps. Cependant, des essais suivis pendant plusieurs semaines sur la

même cellule, ont donné une croissance de plus en plus lente, mais ne semblant pas tendre

vers une valeur asymptotique rapprochée.

L’emploi d’une tension moindre diminue beaucoup.la vitesse de croissance du courant

Flg. 3.

-

Fatigue électrique. (Cellule 43 sous 45 volts.)

d’obscurité, c’est une des raisons qui incitent à ne pas exagérer la tension appliquée. Un

autre fait expérimental très important et d’un intérêt théorique considérable est, que la résistance cellule n’est pas la même dans les deux sens. De plus, la diminution de résistance due à un passage de courant dans un sens, quelque grande qu’elle puisse être, ne

modifie pas n ppréeiablement la résistance pour le courant traversant la cellule en sens inverse. Tout se passe comme si les trajets suivis par les courants pour chacun des deux

sens Ce phénomène nous a conduit à une conception nouvelle du inécanisme des variations de résistance des cellules, que nous exposerons plus loin.

La courbe de la fig. 4 montre un exemple de la variation du courant sous 45 volts en

fonction du temps. A l’instant ti, après 10 minutes, on inverse les connexions de la cellule.

Le courant, qui avait atteint 4,5~A, tombe à - et commence à croître suivant la même loi. A l’instant t~. une nouvelle inversion montre que, pendant la durée de l’inversion, l’effet du premier passage s’est effacé partiellement.

L’augmentation de conductibilité due au passage du courant disparaît lentement suivant

une loi probablement exponentielle fort lente. Il faut des durées de plusieurs heures pour se

rapprocher de l’état initial, ce qui indique une modification réversible profonde de la

matière. Pour la clartf; de l’exposé, j’appellerai ce phénomène : la fatigue due au courant ou fatigue électrique. Ces phénomènes fondamentaux compliquent singulièrement l’étude de l’action de la {ornière sur les cellules de ce genre, puisqu’il n’est plus possible de considérer

simplement la conductibilité comme une fonction de l’éclairement seul.

(5)

-

(Cellule i3 sous 4~; volts.)

4. Disparition de la fatigue.

-

Nous allons étudier comment s’efface la fatigue élec- trique, c’est-à-dire l’augmentation de conductibilité due à un fonctionnement prolongé sous

courant continu. La figure 5 donne les résultats relevés sur la cellule n° 43 sous 27 volts.

Dans la partie A B de la courbe (entièrement relative à l’obscurité), la tension de

~7 volts appliquée à la cellule donne lieu à un courant initial de micro-ampère

(Ro === 650 mégohms) qui augmente constamment et atteint eit 2 heures (~ _-_ 27/3,2

8,~ mégohms environ). Ceci démontre l’impossibilité de parler d’une résistance d’obscu-

rité en courant continu pour ce type de cellule. Dans la courbe BC, on a représenté les

valeurs prises par le courant lorsqu’on fermait le circuit, normalement ouvert, toutes les

(6)

10 minutes jendant 5 secondes. Cette courbe indique comment disparaît dans l’obscurité et sans tension appliquée, l’effet de fatigue au courant continu. Cette disparition est égale-

ment exponentielle mais plus rapide que la.courbe de la fatigue d’apparition.

3. Etude des effets de la lumière.. - Lorsqu’on soumet une cellule à un éclairement

brusque, en employant le montage de la fige ?, on observe une augmentation immédiate du courant à travers la cellule; dès qu’on intercepte le flux lumineux, une diminution survient,

mais pendant l’éclairemént l’augmentation du courant n’a pas une valeur définie : elle con-

tinue lentement pendant si longtemps que même après plusieurs semaines aucune valeur asymptotique n’a été atteinte. Cet effet es dû principalement au passage du courant continu,

comme uous le prouverons plus loin, tout au moins pour les radiations infra-rouges. La

diminution produite par la disparition de l’éclairement est toujours inférieure à la valeur

F’ig. J.

-

Fatigue électrique et sa vitesse de disparition. (Cellule 43 sous 2 i v olts.)

totale de 1°augmentation, de sorte que l’on retombe sur une conductibilité d’obscurité plus, grande que celle qui précédait l’illumination.

La fit.£. 6 donne un résumé typique des phénomène

De A à B la cellule est maintenue dans l’obscurité : le courant io croît lentement

(fatigue électrique).

En on applique sur la cellule un éclairement de 8 lux (lampe à incandescence au

tungstène, type demi-watt). Le courant croît instantanémentde 0,26 (LA à puis continue

à croître suivant une loi exponentielle lente. Au bout de 3 minutes, il atteint 3 micro-ampères.

On éteint b lampe. Le courant tombe aussitôt à 0,66 {J.A et décroît ensuite lentement suivant

une loi exponentielle; après 2 minutes, il atteint 0,4 ¡lA.

On pourrait croire que cela implique l’existence d’une valeur asymptotique de l’ordre

de 0,3 ¡J.:. pour le courant d’obscurité, mais il n’en est rien car après il éclairement le courant baisse lentement, passe par un minimum, puis augmente par fatigue électrique (phénomène

non représenté dans cette courbe).

En 1’>, un éclaire de nouveau la cellule sous X lux. Il apparaît alors un courant qui

atteint de-! valeurs plus élevées que la première fois. Ge fait est général. En méme temps

que le courant d’obscurité croit, la variation absolue du courant par l’éclairement augmente.

Ce dernier est maintenu une minute, le courant atteint ce moment, on fait une

(7)

occultation de 30 secondes suivie d’un éclairement assez court pour que le galvanomètre (période propre : 2 secondes, amortissement critique) ait juste le temps d’atteindre l’équi-

libre. On lit ainsi une v ariation de courant de 2 micro-ampères.

La suite de la courhe représente l’effet d’une inversion des connexions de la cellule : (sens désigné par le signe moins sur la courbe).

On constate en J que le courant d’obscurité est très faible, comme au début des expé-

riences dans le premier sens, et que l’effet photoélectrique est en valeur absolue plus faible.

Il croît rapidement d’ailleurs avec la fatigue électrique comme le montrent les 2 éclaire-

ments brefs de mcme durée (5 secondes) K et M.

,

Un retour aii sens initial (+) donne un courant d’obscurité plus faible qu’en 1 (fin de la

première série) iiiais plus grand qu’au départ ~~. De même, dans l’essai suivant, dans le sens

Fig. 6.

-

Effets de la lumière. (Cellule 43 sous 15 volts.)

2013) Cette courbe, qui n’est qu’un exemple parmi de nombreux résultats d’expériences sur

d’autres cellules, montre que :

il Le passage prolongé du courant dans un sens invariable augmente à la fois le cou-

rant d’obscurité et les variations photoélectriques absolues.

20 L’examen des inversions du sens prouve que la résistance de la cellule n’est affectée par la fatigue électrique que dans le sens du passage du courant et que, de même, le courant photoélectrique qui apparaît ne dépend pas du régime qui a pu être antérieurement atteint dans le sens inverse.

Autrement dit, tout se passe comme si la cellule utilisée dans un sens ignorait absolu-

ment l’état de fatigue atteint en sens inverse.

En particulier, au cours de l’emploi en sens inverse, la fatigue précédemment survenue disparaît lentement comme si la cellule ne travaillait pas. D’ailleurs, il est même établi expérimentalement que, très généralement. une inversion efface plus vite la fatigue élec- trique antérieure que le repos simple sans aucune tension appliquée. Nous verrons pire

loin une tentative d’explication théorique de ces phénomènes très curieux.

6. Fatigue complexe. - Lorsqu’on soumet la cellule à la fois à un éclairement permanent et à une teiiion permanente, on superpose la fatigue photoélectrique et la fatigue électrique. Il y a alors fatigue complexe et ce phénomène intervient constamment en

courant continu.

(8)

La fig. 7 en donne un exemple pour la cellule 43. La cellule, al’rt’s un repos d’une

heure dans l’obscurité et sans tension, est soumise à un éclairement de 8 lux (tungstène) en

lumière infra-rouge (écran hypérios Appert) sous une tension de 27 volts. Le courant d’obscurité initial était 0,04~A. Il était mesuré très rarement et aussi rapidement que possible de manière à tracer la courbe correspondant à l’éclairement permanent. On cons-

tate ainsi qu’il atteint en 36 minutes tandis que le courant d’obscurité atteint 3,2 tJ._L

Ceci montre :

1° Que l’éclairement n’empéche nullement la fatigue électrique, au contre celle-ci croît plus vite que dans l’obscurité, mais en restant du même ordre pour Jour les faibles éclairements. eS al) es ei’ aliemen S.

Fig. 7.

-

Fatigue complexe en lumière infra-ronge. (Celule 4:3 sous 21 volts.)

2° Le courant photoélectrique, dans le cas d’un éclairement continu, croît bien moins

vite que le courant d’obscurité, de sorte que, bien qu’il croisse en valeur absolue, il décroit

en valeur relative.

Il serait très intéressant de vérifier si les cellules au sélénium se comportent sembla-

blement et en particulier de voir si les phénomènes d’inertie du sélénium ne sont pas

simplement décomposables, d’une manière analogue, en une fatigue due au courant et une

fatigue due à la lumière. Nous verrons plus loin que celle-ci, dans les cellules Fournier, disparaîtrait pour les grandes longueurs d’ondes.

7. Essais en lumière interrompue. - Lorsqu’on occulte périodiquement la source

lumineuse et qu’on amplifie seulement les variations du courant au moyen d’un montage n’amplifiant pas la composante continue, on constate que les résultats sont beaucoup mieux définis, c’est-à-dire beaucoup plus constants que dans les mesures galvanométriques, ce qui est précieux pour de nombreuses applications. Pour préciser les causes de cette parti- cularité, nous avons éclairé une cellule au moyen d’un faisceau constant occulté périodi- quement par un métronome dont la tige portait un disque de papier noir venant passer devant la cellule.

’ °

(9)

La période adoptée (3; secondes) était telle que la durée de l’occultation et de l’éclaire- ment (2 secondes fût suffisante pour permettre au galvanomètre d’atteindre sa position d’équilibre. On a porté en abscisses dans la courbe de la fig. 8 les temps en minutes et en

ordonnées les courants indiqués par le galvanomètre.

On a commencé par interposer un écran infra-rouge (Hypérios) qui ne laissait passer

Fia. 8.

-

Essais en lumière modulée. (Cellule 43.)

que la partie invisible du rayonnement dont l’éclairement visible était de 8 lux (lampe demi-v-att).

On a obtenu les valeurs suivantes :

Courant d’obscurité initial : 0,0’~ ~,_~.

Variation photoélectrique initiale : 0,08 N.A.

Après 5 ininutes :

Courant photoélectrique : 0,~ î ~ A.

Variation photoélectrique : 0,~9~A.

Le courant d’obscurité a augmenté (fatigue complexe), la variation photoélectrique a également augmenté, mais tandis que io devenait 7 fois plus grand, à i n’était multiplié que par 3,5 environ.

En lumière visible (8 lux) les résultats sont analogues, avec cependant une croissance

bien plus rapide du courant d’obscurité qui passe en 3 minutes de 0,60;.1._B à 1,43V.A, tandis que à 1 pas se de 1,08:J.A à

Ceci prouve que les radiations visibles provoquent un effet lent très marqué, qui aug- mente le courant d’obscurité parce qu’en 2 secondes l’effet de l’éclairement ne se dissipe que très incomplètement, tandis que l’effet rapide qui obéit instantanément aux variations d’éclairement reste peu modifié.

Pour étudier la disparition de la partie photoélectrique de la fatigue, on remet en place l’écran hypérios (8e minute). On constate alors que le courant d’obscurité décroît

rapidement de à O,30:J.A en 17 minutes, tandis que la variation photoélectrique passe de la valeur 0,40~ B il 0,30~A.

Nous voyons que 3i a repris sensiblement la valeur qu’il avait à la fin des 3 premières

minutes. Cela est général : en lumière infra-rouge modulée, la cellule prend, en quelques

minutes de fonctionnement (retard dû ii la fatigue électrique), un état stable pour lequel la

sensibilité est bien définie, de sorte que les mesures valables peuvent être obtenues en

infra-rouge 8ans précautions spéciales. Nous verrons que l’emploi d’une tension alternative

(10)

sur la cellule, en supprimant la fatigue électrique, permet d’améliorer encore la précision de

ces mesures.

Des essais analogues à 800 s-1, en utilisant un disque perforé pour occull,er périodi- quement la source, ainsi qu’un oscillographe pour mesurer les courants, conduisent à ders résultats identiques.

8. Rapidité d’établissement de la composante photoélectriques du courant.

-

Fig. 9.

-

Schéma du montage uti- lisé pour les études oscillogra- phiqo es.

_

La figure 6 pourrait faire croire, par l’évolution lente qui persiste pendant plusieurs minutes après chaque change-

ment d’éclairement, que la partie de la déviation qui

semble s’établir instantanément n’est rapide que par rapport

à la constante de temps du galvanomètre.

Il n’en est rien, car pour élucider ce point nous avons fait des relevés oscillographiques qui ont précisé entièrement la

question.

En enregistrant le courant photoélectrique au moyen d’un oscillographe électromagnétique Dubois après ampli-

fication par une lampe de couplage montée suivant le schéma de la figure 9, on obtient des oscillogrammes du type de la figure 10 relevé pour un éclairement interrompu ayant

duré 0,25 secondes. On observe une déviation que l’oscillo-

graphe inscrit comme débutant instantanément (donc en

moins de 1/3000 s) et une croissance lente du courant qui

est celle que nous constations déjà au galvanomètre, lequel permet de l’observer pendant très longtemps (plusieurs heures).

Afin d’étudier commodément la rapidité réelle de cet établissement d’apparence instantanée, nous avons cherché à voir comment variait l’amplitude du courant photoélec--

Fig. 10.

-

Oscillogramme du courant photoélectrique.

trique ondulé qui traverse la cellule éclairée par une lampe constante quand on fait tourner à vitesse croissante une roue percée de trous devant la lampe.

Les oscillogrammes relev és avec l’oscillographe Dubois ont montré que la sensibilité diminuait un peu aux très basses fréquences, par suite de

la disparition de la composante lente qui succède à la

partie instantanée. Puis, dès que la fréquence dépassait

50 périodes par seconde, la sensibilité restait constante.

D’autres expériences, faites par MAI. Fournier et

Gondet, au moyen d’un oscillographe Dufour, ont permis

d’atteindre des fréquences de l’ordre de 30 000 périodes

par seconde. L’enregistrement reste très net, quoique la

sensibilité soit plus faible qu’aux fréquences plus basses,

mais dans ces essais l’amplificateur à résistance avait cer-

tainement une sensibilité légèrement décroissante avec la

fréquence par suite de la forte résistance interne des lampes

utilisées (lampes Céma à grand coefficient d’amplifica-

°

tion, pouvoir amplificateur I. - 23 et K 40). Il faut

Fig. 11,

-

Schéma du montage de la cellule en résistance d13 fuite-grille.

aussi tenir compte de la constante de temps du circuit d’entrée : -. le courant photoélectrique

(11)

charge la grille dont la capacité équivalente est : (voir (Yi = capacité grille-filament = 10 cgs (’, - capacité giille-anode = 10 environ :

~. - pouvoir amplificateur réel de l’étage.

Pour une lanipe de coellicieiitK=:: 4.0(K, pouvoir amplificateur en volts) montée avec une

Tésistance de 250 00Um dans le circuit de plaque, on a y 2~ à 30. Prenons il 7 1 == 30,

on trouvera (’ -- 10 + 300 cgs, c’est-à-dire sensiblement

Si la grille est légèrement positive on a, pour ces lampes, lt, = 50 000 w, (Fou pour la ,constante de temps, la valeur :

La constante de temps étant de 1/66 000 seconde, la perte de sensibilité est faible.

Par contre, dans le montage de la fig. 9 où l’on rend la grille négative et où l’on choisit .. - 10 mégohms environ, on peut prendre 101, ohms et l’on aura 11 X .10-0

== 3.10-4 = 4/3000 seconde.

Nous voyons que la constante de temps de ce montage parvient à égaler celle de l’oscil-.

lographe électromagnétique. Il convient à la rigueur encore assez bien dans ce cas (son

intérêt réside dans sa grande sensibilité), tandis que pour l’essai avec l’oscillographe Dufour

la constante de temps serait trop longue, il faudrait prendre pour R une valeur inférieure à 100 000 ohms.

La variation de sensibilité en fonction de la fréquence présente exactement la même .allure que si l’on supposait la cellule rigoureusement sans inertie, mais shuntée par une

petite capacité.

Il en résulte qu’on peut compenser exactement cette loi et obtenir l’indépendance de la fréquence dans l’amplificateur au moyen de liaisons entre étages convenablement établies.

Cela n’est d’ailleurs utile que pour les montages de télévision dans lesquels le domaine des

fréquences à reproduire sans distorsion s’étend de 20 à 100 000 périodes par seconde Nous avons vérifié d’ailleurs, en utilisant dans les mêmes conditions une excellente cellule au potassium (2 ) que la sensibilité en lumière modulée à fréquence élevée présente

une variation analogue avec la fréquence, par suite de la constante du temps duc aux capa- cités entre électrodes entre fils et entre grille, filament et plaque dans la triode amplificatrice.

9. Relation entre l’éclairement et le courant photoélectrique. - Cette relation

ne peut pas être facile à déterminer, puisque la fatigue électrique donne lieu à un courant ed’obscurité variable et que le courant correspondant il un éclairement défini varie dans le mêle sens que le courant d’obscurité. Dans ces conditions, il n’est pas possible de faire des

mesures précises puisque le galvanomètre continue à lentement sans s’immobiliser

~~ aucun molnent et la signification même des lectures lnanque de précision.

Pour obtenir quelques indications sur la relation photométrique, nous avons mesuré 1-

courant photoélectrique suivant le montage de la fig. 2 en utilisant des tensions ires faibles pour réduire la fatigue électrique.

Pour faire varier le flux lumineux sur la cellule, nous avons utilisé 2 méthodes.

Dans la première, la cellule, placée au fond d’un tunnel noirci pour éviter effets d’éclairement parante dus aux murs du laboratoire, éliiil ( éclairée directement une

lampe à filament de tungstène de 32 watts dont on faisnif varier la d,. 0,50 m

à9m.

Dans la seconde méthode, la cellule était placée derrière une opale diffusante

(’) Cellule S E R 1) I.

(12)

au loyer d’lUI miroir parabolique recevant le flux d’une lampe éloignée. L’ouverture utile du miroir était l diapliragmée au moyen de deux demi-cercles opaques, l’un fixe, l’autre

tournant autonr de l’axe du miroir 12), de sorte que Fou pouvait utiliser un angle

Diaphragme à secteur libre.

d’ouverture 11 tille 6, connu par une graduation en degrés portée

par le demi-cercle mobile. Le flux tombant sur l’opale forme

mc image ponctuelle de la source, de dimension invariable et d’éclairement proportionnel à 0. L’elnploi de l’opale avait

pour but d’éviter qu’une trop petitc surface de la cellule soit intéressée par l’image et il aurait pu arriver, du fait des aber-

rations, que ce ne filt pas toujours les mêmes points sensibles

de la cellule qui eussent travaillé.

Les deux méthodes ont donné des résultats concordants. La

figure 13 fournit un exemple des courbes relevées par ces mé- thocles. Nous n’en donnons que 3, la publication de nombreux résultats étant sans utilité du fait qu’il y a de fortes v ariations de sensibilité cl’une cellule à l’autre et aussi clans la même cellule suivant son histoire antérieure (tension appliquée

et éclairements maxima subis).

L’allure seule de la loi est intéressant, le couranl varie rapidement avec les éclaire- ments faibles et de plus eu plus lentement ensui te.

Si l’on prend pour abscisse la racine carrée de l’éclairement (par exemple, l’inverse de

Fig. 13.

-

Courant en fonction ~le l’éclairement. (Cellule A, grand modèle; tension appliquée, 1,6 v.).

la distance de la lampe dans la première méthode) on obtient une courbe presque droite tantôt courbée dans un sens (fig. 14) tantôt en sens inverse (fig. 15) de sorte que l’on peut dire qu’en première approximation les variations photométriques du courant sont de la forme Ai - K (E, éclairement; 7~ constante, fonction de la tension appliquée sur la

cellulèl. Nous n’avons jusqu’ici pu déterminer si la tension avait une influence systématique

sur la courbure de la courbe i ~ f (,~; E ~ car les résultats ne concordent pas.

(13)

Il résulte de ces expériences que l’emploi des cellules Fournier pour la photométrie

semble impossible, pourtant nous verrons plus loin que la difficulté fondamentale due à la

fatigue électrique peut être tournée et que des mesures précises sont possibles. Gela est fort

heureux, car la très grande sensibilité de ces cellttles dans un domaine étendu (de 0,5 p. à 1,3 g) les rend très précieuses (1~.

,

(1) Voir, à la fin de l’article, la nota à la correction des épreuves.

(14)

10. Sensibilité. - A titre fl’inclication et pour préciser oi-(Ii-es le grandeur rela- tifs, nous rappelons que, pour une cellule au potassium très sensible. un flux lumineux dn 10-À lumen donne un courant de 6 X 10-10 ampère (soit 0,0()U 6 iiiici-oampère) pour un

potentiel accélérateur de 150 volts (notice sur les cellules

D’autre part, considérons par exemple la cellule 43, qui e>t une cellule moyenne normalement sensible, sur laquelle nous avons relevé de nombreuses mesures.

Sa surface sensible est un cercle de 3 mm de diamètre ( D2 4 _ 0,07 cm2). 1°n éclaire- ment de 14 lux correspondra à un flux de 14 X 0,07 X t0- ._-_ lurnpn sensiblement.

Nous avons trouvé que cet éclairement cle 14 lux donne :

pour une tension de 1,6 v, un courant photoélectrique instantané de 0.27~A:

pour une tension de 6 v, un courant instantané de 1.5~A.

Nous voyons que, pour le flux lumineux de 10--i lumen; lu cellule 43. sous 6 voltes

(tension très inférieure à la limite admissible qui est de 45 volts), est plus de 2 000 fois plus sensible que la cellule au potassium sous 150 volts.

D’ailleurs, la réponse de la cellule au potassium étant proportionnelle à l’éclaire- ment tandis que la cellule Fournier obéit proportionnellement a la racine carrée, le gain

de sensibilité de cette dernière augmente pour les éclairements faibles.

On conçoit que, malgré les inconvénients que nous avons signalés précédemment, la

cellules Fournier présente un réel intérêt en photométrie. Nous verrons d’ailleurs plus loin qu’on parvient à s’affranchir des inconvénients dus aux différentes fatigues.

il. Effets ultérieurs de la lumière sur les cellules,

-

Lorsqu’un éclaire-

ment un peu intense (quelques dizaines de lux, par exemple) tombe sur une cellule,

il produit une diminution immédiate de résistance, mais nous avions déjà vu que cet ,effet croissait lentement. Autrement dit (voir fige 6), , le courant continue à croître bien que l’éclairement reste constant. De plus, après le retour à l’obscurité, le courant reste plus .grand que le courant d’obscurité initial, el cela d’autant plus que le courant photoélec- trique était plus grand. Jusqu’ici nous ne retrouvons que le phénomène déjà indiqué au sujet de la fig. 6, que nous appelions la fatigue photoélectrique et qui ne diffère pa, sensiblement de la fatigue électrique. L’augmentation de la tension appliquée sur la cellule

donne lieu dans l’obscurité à des phénomènes de même allure : le courant plus élevé qui

a traversé la cellule ne s’efface pas totalement après la disparition de la tension supplémen-

taire qui l’avait fait circuler.

Le fait nouveau que nous voulons signaler c’est que l’éclairement t d’une cellule en

lumière blanche, même en circuit ouvert, diminue sa résistance durablement. Autrement dit, le passage du courant photoélectrique produit bien par lui-mème une fatigue élec- trique, mais elle ne constitue pas la totalité du phénomène. Indépendamment de tout courant et en l’absence de tension appliquée, les radiations de longueurs d’onde plus courte que

0,7 [J.. augmentent la conductibilité de la couche et cet effet ne disparaît pas totalement. En l’absence de tension, l’effet résiduel dure des semaines entières et, même après un éclaire-

ment très intense en lumière ultra violette, il a fallu 6 mois pour effacer les 9/10 de l’effet

résiduel.

Au contraire, les radiations de longueur d’onde plus grande que 0,7 tJ.. ne donnent pas lieu à des effets résiduels, de sorte que, pour les radiations infra-rouges, les peuvent supporter des éclairements énergétiques considérables sans qne leur résistance, d’obscurité soit appréciablement diminuée.

La pleine lumière du soleil, filtrée par 2 mm de verre hypério~ (verre au manganèse),

arrêtant totalement îe visible et laissant passer les rayons infra-rouges, n’altère pas la résis- tance d’obscurité des cellules, même pour des expositions de plusieurs minutes. Au contraire, le rayonnement total les rend, pour très longtemps, des milliers do fois plus

conductrices et détruit même souvent toute sensibilité ultérieure. La lumière du ciol agit

de même mais moins énergiquelncnt. Le rayonnement d’une lampe de 32 Bvatls ait tungs-

tène (type demi-watt), non filtré, produit une fatigue photoélectrique très ivette, tandis

qu’après filtration par un écran hypérios il n’y a aucune fatigue.

(15)

Le rayonnement d’une lampe à vapeur de mercure, même en verre, détruit rapide-

ment la sensibilité des cellules par réduction de la résistances d’obscurité. Il apparaît géné-

ralement d’ailleurs des fluctuations irrénuUères de conductibilité ’{ni i produisent des parasites intenses dans les amplificateurs.

Voici, pour préciser ces phénomènes par un exemple, l’étiid4, (le., effets de ce genre

sur la cellule n° 43 qui a été étudiée, au point de vue fatigue électrique, dans les figé 3, 4 et 5, et, au point de vue fatigue photoélectrique, dans la fige 6. Les relevées sur celle

Fig. 16.

-

Effets ultérieurs de la lumière. (Cellule ~3.)

cellule ont été choisies parmi les nombreuses autres parce qne cette cellule était très normale et correspondait bien aux propriétés moyennes de ce type de ce! Iules.

La fige 16 représente les résultats que nous résumons ci-dessous. les signes + et

-

indiquant le sens dans lequel était connectée la cellule à chaque mesure (montage de la fig. ~) . Au temps t = 0, la cellule n’a subi ultérieurement que des éclairements de 8 lux

(lampe au tungstène) en lumière totale. Elle est utilisée sous 1:> volts et chaque mesure de

sensibilité est effectuée en appliquant un éclairement de 8 lux pendant ") secondes. On lit la déviation maximum et le courant d’obscurité : on reporte ces valeurs sur la courbe, ce qui donne les pointes verticales représentées pour chaque éclairemeut.

Au temps 1 - 3 min, la cellule est soumise à un éclairement de 30 lux (lampe demi-

w-att au tungstène) pendant 20 secondes (lumière blanche totale). l,e courant d’obscurité

(16)

qui éblit, j moment où l’on a coupé le circuit de 0,30 ~. ~ prend immédiatement la valeur La, variation photoélectrique pour 8 lux passe de 1,26 p.A à 1,68 On observe au cours de 3 mesures effectuées à t = 4 que la fatigue électrique persiste mais la croissance du courant d’obscurité est ralentie par la diminution due à l’effacement progressif de

l’effet de l’éclairement sous 30 lux.

Le courant d’obscurité est constant et égal à 0,50

Au temp -1 t = min, on inverse les connexions de cellule, on constate que le courant d’obscurité Lepart de la valeur initiale trouvée en sens inverse et l’on retrouve le phénomène

de fatigue électrique.

Au temps t = 7 inin, on expose la cellule déconnectée à un éclairement de 300 lux

(lumière blanche totale, même lampe plus rapprochée).

On connecte la cellule dans le sens + on trouve un courant d’obscurité de l’ordre de

0,6 ma,is décroissant et, au moment l’éclairement de 8 lux est appliqué, le courant

passe de O,4f> à En inversant le sens, on trouve un courant d’obscurité de

0,43 et dr, variations pour 8 lux donnant i = 2,7

On remarque qu’après l’éclairement de 300 lux, le courant d’obscurité était en pleine

décroissance, à partir de valeurs supérieures à celles qui existaient avant l’éclairement 300 lux.

Au 1 = 41 min, on expose la cellule déconnectée à un éclairement de 3 000 lux

pendant 20 .secondes (presque au contact de la lampe

Le courant d’obscurité, dans le sens +, dès qu’on ferme le circuit, part de valeurs très

grandes et décroit rapidement. Un essai de sensibilité sous 8 lux, donne un courant photo- électrique si grand que le spot sort instantanément de l’échelle.

En inversant le sens, nous constatons que le courant d’obscurité est beaucoup plus petit, ce qui provient du temps écoulé (1 minute et demie) et aussi de l’effet accélérateur des inversions sur le retour à l’état initial. L’observation dans le même sens pendant

7 minutes, montre que, progressivement, l’effet de l’éclairement intense s’efface. La sensi- bilité n’a pas ’té diminuée au cours de cette période, les variations du courant photoélec- trique étaient sensiblement proportionnelles au courant d’obscurité, la variation relative de résistance était donc constante.

Aux temps t = 21 mn et t .--- 22 mn, on fait deux inversions de sens qui montrent que le retour à l’état initial est pratiquement achevé, les inversions ayant évité lafatigue électri-

que et accéléré le retour à l’équilibre. A la suite de ces essais, dans lesquels la résistance d’obscurité sous 15 volts est de l’ordre de 75 mégohms, on expose la cellule à la lumière diffuse du jour dans une salle vitrée, non éclairée directement par le Soleil.

Le courant d’obscurité sous 15 v est alors beaucoup trop grand pour permettre la

lecture directe avec le galvanomètre. Sous 9 volts, il est de 6 et sous 4 volts, de 3,6

sous 1,6 v, Li atteint encore 0,46 ~ ~B. Un éclairement de 8 lux donne i = 0,66 1-t..A et le

résultat est le même dans les deux sens. La résistance d’obscurité est donc passée de 75 Q à

2 Q environ, avec une forte diminution de la sensibilité relative.

24 heures de repos, l’effet d’éclairement de plein jour s’est effacé, le courant d’obscurité initial sous 6 volts est 0,04 pA, d’où l~a = 6/0,04 = 150 et Ai - 0,8 tl.A à 0,9 ;u- pour 8 lux, ce qui est du même ordre que la résistance et la sensibilité qui exis-

taient avant l’éclairement par la lumière diffuse du jour. La conclusion est que la lumière (surtout si elle est riche en radiations de courtes longueurs d’onde) produit dans la matière

un effet profond et lent à disparaître. Les effets de la radiation X =0,~6~0 ~, du mercure

sont extraordinairement durables (plusieurs mois). La superposition de cet effet lent des courtes longueurs d’onde avec l’effet instantané des radiations de grande longueur d’onde

donne aux courbes du courant photoélectrique dû à la lumière blanche, en fonction du

temps, leur allure d’abord très rapidement puis très lentement variable.

Il y aurait là une étude très importante à poursuivre pour éclaircir le rôle de la lon- gueur d’onde dans la vitesse de disparition des effets photoélectriques. Nous aurons l’oc-

casion d’y revenir au sujet de la lumière modulée.

(17)

12. Influence d’une tension alternative sur les cellules.

-

Xous avons vu que les inversions de courant hâtent le retour à l’état initial et que, cl’autre part la fatigue électrique ne se produit que lorsque le courant reste appliqué dans le même -ens, cet effet tendant à disparaître dès que le courant cesse.

Il est donc logique de penser que l’emploi d’une tension alternative doit réduire énor- mément les variations de résistance dues à la fatigue et, par suite, rendre bien mieux définies les variations photoélectriques du courant.

L’expérience montre qu’il en est bien ainsi. La figure 17 indique le schéma utilisé pour les mesures en courant alternatif.

La tension alternative efficace employée est de 25 volts à la fréquence de ?§0 périodes

par seconde (Secteur). Cette tension est appliquée sur un pont de Wheatstcne dont la

Fig. l’r.

-

Mesure de la résistance en courant alternatif.

cellule constitue l’un des bras, le bras adjacent contenant une résistance de 50 Q qui se

trouve ainsi en série avec la cellule, ce qui évite que les cellules peu résistantes soient déité- riorées par une intensité exagérée. Les deux bras de proportion a et b sont formés par un

potentiomètre très résistant (5 000 w) en fil bobiné en une seule couche avec contact suivant une génératrice. Il aurait mieux valu utiliser un potentiomètre rigoureusement

sans self-induction, mais nous n’en possédions pas et l’erreur absolue introduite du fait de la réactance à 50 s était vraiment peu importante et ne pouvait pas nous gêner sérieuse-

ment pour chercher l’équilibre du pont.

Le galvanomètre de mesure était remplacé par une lampe amplificatrice à un étage,

à résistance, dont le chauffage n’est pas représenté.

La grille était reliée au sommet C, le filament au curseur -1) par l’intermédiaire d’une

pile de polarisation de 1,5 vqui permettait de rendre la grille négative et supprimait tout

courant en phase à travers l’espace grille-filament.

Une lampe détectrice permettait de trouver l’équilibre par minimum dll courant détecté. La batterie de chauffage était mise au sol afin d’éviter les erreurs dups aux effets d’induction électrostatique.

Les lampes utilisées étaient : pour l’amplificatrice, une lampe à grand coefficient Céma (type G 25), et pour la détectrice, une lampe Philipps ~~ 413.

13. Résultats. - 1. 0 La résistance d’obscunité des cellules conservées à l’obscurité

pendant plusieurs semaines est bien définie, en général. Elle est beaucoup plus grande

(18)

qU’en courant continu (620 Q pour la cellule 43, au lieu de 150 Q sous 15 volts en cou-

rant continu) sauf pour les cellules qui sont depuis très longtemps dans l’obscurité, pour

lesquels les deux chiffres concordent assez bien.

~° La variation de résistance due à l’éclairement est bien définie en lumière infra-rouge.

Par exemple, la cellule n° 43, protégée par un verre hypérios, présente pour l’éclairement diffus du laboratoire (uniquement éclairé par des lampes au tungstène) une résistance

constante de 340 mégohms. En approchant une lampe de 32 watts à un mètre, la résistance

prend une valeur constante de 49 mégohms et dès que la lampe est éteinte on retrouve

R = 340 mégohms.

1 18.

-

Effacement de la fatigue consécutive à un éclairement par une tension alternative. (Cellule 43).

Après avoir été exposée 10 secondes à un éclairement de 3 500 lux (lampe lemi-13.aili , la cellule est soumise à une tension. alternative efficace de .25 v. La courbe représente la v ariation de résistance de la cellule depuis la fin de l’éclairement de 3 300 lux.

Ceci montre que la lumière infra-rouge est bien sans effet durable sur la résistance d’obscurité.

La cellule protégée par l’écran infra-rouge a pu être exposée à la lumière du jour en plein air et même au soleil sans altérer sensiblement sa résistance. Il semble qu’il y ait eu

cependant une très légère cliininution, mais elle était si faible par rapport aux phénomènes

survenant en lumière visible qu’on peut l’attribuer à la petite quantité d’énergie de courte longueur d’onde qui traverse l’écran infra-rouge, qui n’est pas absolument opaque pour

elle, malgré son absorption énorme dans cette région.

3° L’effet de la lumière blanche totale sur la cellule déconnectée a pu être précisé.

puisque les inesures de résistance donnaient des valeurs définies et constantes dans le

temps pour les cellules reposées. On voit, sur la fig. 18, la courbe obtenue avec la cellule 43

après plusieurs jours de repos, à la suite desquels sa résistance d’obscurité, en courant

alternatif a été trouvée de 620 Q.

(19)

La cellule, au temp’ t=U, a été exposée 10 secondes à la lumière blanche totale d’une lampe 3~ au lungstpne à très petite distance (Eclairement de l’ordre

de :~ 500 lux) ; immédiatement remontée sur le pont, sa résistance a été mesurée. Les valeurs initiales de la résistance étaient trop faibles et surtout trop rapidement variables

pour permettre d4, les déterminer, mais à partir de 120 mégohm, les mesures furent

exactes comme époque et comme valeur.

La courbe indique une disparition exponentielle de l’accroissement de la conductibilité.

En une heure, on revint pratiquement à l’état initial.

Il y a lieu d’indiquer à ce sujet que la vitesse de régression est plus faible sans tension appliquée que lorsqu’il jr a tension alternative. Des mesures effectuées sur la cellule n° ~0,

il résulte que, pour effacer la moitié de la conductibilité rémanente due à un éclairement de 2 500 lux ( tungstène) pendant 10 secondes, il faut 3 minutes en courant alternatif et 21 minutes sans aucune tension appliquée.

1 !. Influence de la longueurs d’onde. - Les cellules Fournier obéissent aux radia- tions visibles et à celles du proche infra-rouge. Nous renvoyons pour la documentation sur cette question aux travaux de M. Fournier. Conférence à l’École Supérieure des P. T.T. (1928)]

qui a étudié la courbe de sensibilité en fonction de la longueur d’onde par comparaison

avec un récepteur non sélectif (pile thermoélectrique). Nous rappelons simplement que sea.

travaux établissent clne ce type de cellules a son maximum de sensibilité pour )~ == 1 p- avec

une décroissance rapide vers À = 1,3 y., tandis que la décroissance est lente vers les courtes

longueurs d’onde (voir la fig. 19, qui représente l’allure générale de la courbe). Nous avons

Fig. 19.

-

Courbe de due- cel lule, Fournier en fonction de la longueur d’onde.

constaté d’ailleurs que la sensibilité ne cessait pa; vers 0,6 ~, comme le faisaient croire les

mesures anciennes qui correspondaient à une faible amplification. La limite recule vers le violent au fur et à mesure que l’amplification ou le flux lumineux croissent (fig. 13).

A titre d’exemple, nous indiquons que nous avons facilement décelé la raie indigo du

mercure isolée par un monochromateur Jobin en utilisant un disque percé de trous et un amplificateur musical. Noues donnerons plus loin, comme exemple d’application des cellules

en photométrie, quelques résultats montrant comment varie la limite inférieure de sensibilité

avec l’éclairc ment.

D’autre part, il y a lien de rappeler en ce chapitre que l’influence des différentes radia-

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