Conductibilité des gaz issus d'une flamme

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Submitted on 1 Jan 1905

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Conductibilité des gaz issus d’une flamme

Eugène Bloch

To cite this version:

Eugène Bloch. Conductibilité des gaz issus d’une flamme. J. Phys. Theor. Appl., 1905, 4 (1),

pp.760-768. �10.1051/jphystap:019050040076001�. �jpa-00241056�

760

dans le sens du champ; ^{ils ont une certaine} mobilité, ^{surtout dans}

les couches de passage, et, ^{comme toutes les molécules sont à leur}

tour ions par le double jeu de la recombinaison et de la dissociation

corpusculaire, ^{il doit se} produire ^{un mouvement} d’ensemble dans le

sens du champ qui facilite la diffusion dans ^{ce sens.} Ainsi s’expli- querait simplement ^la dissymétrie que le changement ^{de sens du}

courant met en évidence.

Quant ^à la variation réversible de la résistance avec l’intensité,

elle est due à ce que ^{le contact} prend ^une température ^d’autant plus

élevée que le courant est plus intense, ^{sauf au} début de la cohéra-

tion, ^où l’effet dominant doit être la variation notable de la surface par laquelle peut ^se faire le passage du ^courant.

CONDUCTIBILITÉ DES GAZ ISSUS D’UNE FLAMME ;

Par M. EUGÈNE BLOCH (1).

~ .

On sait (2) qu’il ^{existe un nombre assez} grand ^{de cas d’ionisa-}

tion des gaz ^dans lesquels ^{les ions ont une mobilité} exceptionnelle-

ment faible, ^{si on la} compare ^à celle des ions ordinaires produits par

exemple par les rayons de Rôntgenet les rayons de Becquerel. ^Ceux-

ci ayant ^{une mobilité} de l’ordre de 1 centimètre par seconde dans ^un

champ ^{de 1} volt-centimètre, ^{ceux-là ont une} mobilité de l’ordre de

Om~,01; ^de plus, ^ils condensent, ^en général, la vapeur d’eau simplement

saturante, alors que les ions ordinaires exigent ^une sursaturation suffisante pour produire la condensation. Le premier exemple ^d’ions

de ce genre ^{a été} signalé par M. Townsend (3) dans les gaz de l’élec-

trolyse. ^J’en ai rencontré beaucoup ^{d’autres en} étudiant l’ionisation par le phosphore ^et les gaz ^récemment préparés ^{par voie} chimique (Zoe. cit.), et j’ai proposé ^{de les} appeler ^ions exceptionnels, ^par oppo- sition aux ions ordinaires. Récemment M. Langevin ^{en a trouvé un}

nouvel et intéressant exemple ^{en étudiant} simplement ^{la conduc-}

tibilité propre de l’air atmosphérique (). Conformément à sa nomen-

(1) Communication faite à la Société française ^de Physique, ^{séance du} 2 j juin

^1905.

(2) ^E. BLOCH, ^{J. de} 111, p . 913 ; 4904 ; ^Ch. l’h., ^{p. 2~ ; ~ 1905.}

(3) TOWNSEXD, ^Phil. Mag., XLV, p. 12~ ; ^1898.

(4) ^C. R.,1. CXL, p. 23~ ~ 1905.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019050040076001

761

clature, j’appellerai ^{désormais ces ions} particuliers ^les gros ions, par opposition ^{aux ions ou} ions ordinaires. Ces expressions font, ^en effet, image, ^en rappelant la différence principale ^{de ces}

deux espèces ^d’ions, et, d’autre part, ^{on ne} peut plus ^considérer

les nouveaux cas d’ionisation comme exceptionnels. Leur nombre

parait ^{même destiné à} s’accroître encore passablement, ^{et l’article}

actuel ^a précisément pour objet l’étude d’un nouvel exemple de gros

ions, ^fourni par les gaz ^issus d’une flamme.

2.

Le fait que les gaz ^issus d’une flamme renferment des gros ions était loin d’être inattendu, ^{si l’on se} reporte ^{aux travaux} qui ^ont déjà ^été publiés ^{sur ce} sujet. ^{On sait} depuis ^fort longtemps, ^non

seulement que les flammes elles-mêmes sont fortement conductrices,

mais encore que les gaz qui ^{en sont issus} emportent ^{avec eux des} ions, ^et possèdent par suite eux-mêmes une conductibilité très no-

table. C’est même à propos de ^cet exemple que Giese (~), ^dans plu-

sieurs importants ^{mémoires, a pu émettre le} premier l’hypothèse ^de

l’ionisation des gaz. De ^tous les travaux publiés depuis ^{sur ce} sujet, je

ne retiendrai que ^l’un des plus ^récents, celui de M. Mac Clelland (2) .

Ce physicien place ^un bec Bunsen ordinaire au-dessous d’une che- minée métallique ^{dans l’axe de} laquelle ^sont fixées des électrodes isolées _{que l’on} peut ^{relier à un} électromètre. Les gaz de la ^flamme montent dans la cheminée, ^tantôt par l’effet de leur légèreté spéci- fique (due ^{à leur} température élevée), tantôt par l’aspiration ^d’une trompe ^{à eau.} Leur conductibilité et leurs propriétés électriques

peuvent ^{ainsi être étudiées à} des distances croissantes de la flamme.

M. Mac Clelland ^a mesuré, ^en particulier, la mobilité des ions des deux signes, ^{et a} imaginé, ^{à cette} occasion, la méthode dite des courants gazeux, qui ^{a reçu} depuis ^{tant de} perfectionnements ^et d’ap- plications ^nouvelles (3). Iles résultats qu’il ^{a obtenus} peuvent ^être

résumés dans le tableau suivant, ^{extrait de son mémoire :}

On voit qu’à ^la température ^la plus ^basse qui ^ait pu-être ^atteinte

~

(2) ^{MAC CLELLAND,} Phil.1Uag., ^{5e série, t.} XLVI, p. 29; ^1898.

(") Voir, parexempIe.E. BLOCH, ^{Ch. Ph.,} IV, p. 65: 1905.

762

la mobilité des ions était déjà ^{tombée à Omm,4. Ce résultat,} publié

peu après ^les premières ^mesures de mobilité des ions ordi-

naires, par MM. J.-J. Thomson ^et Rutherford, ^n’a pas attiré grande attention, vraisemblablement à cause du faible degré ^de précision auquel ^on pouvait prétendre ^{à cette} époque. ^De plus, la sensibilité des méthodes électrométriques ayant ^{été sans} doute insuffisante à ce moment, M. Mac Clelland _{n’a pas} pu ^ramener les gaz jusqu’à

la température ^{ordinaire et voir} si l’on accentuait ainsi l’écart

qui ^{existait entre ses résultats et ceux de} MM. J.-J. Thomson et Rutherford.

A la suite de mes expériences ^sur les gros ions, ^il _{m’a paru} vrai- semblable que, ^si les gaz de la tlamme étaient ^{ramenés à} la tempéra-

ture ordinaire, la mobilité des ions baisserait jusque ^{vers une limite} qui les ferait classer dans cette nouvelle catégorie, ^et que l’on pour- rait ainsi à la fois accroître et systématiser ^l’écart qui ^{existe entre}

les résultats de M. Mac Clelland et ceux de MM. J.-J. Thomson et

Rutherford. C’est du reste dans cette idée que M. Langevin ^et

moi avons effectué la ^mesure du rapport e dans les gaz issus d’une flamme (’ ) : ce rapport représente, d’après ^M. Langevin, ^le rapport du

nombre de recombinaisons au nombre total de collisions entre ions de signes cont.raires. Si les ions ont effectivement une très faible

mobilité, ^{on doit trouver} évidemment

1, ^alors que, pour les

petits ions, ^M. Langevin ^{avait trouvé e = 0,27.} La méthode em-

ployée, modification de celle de M. Langevin, ^{est une} méthode de courant gazeux, qui ^m’avait déjà servi pour les ions du phos- phore (2)@ ^mais qui ^{avait reçu} de sérieux perfectionnements: les gaz de la flamme étaient refroidis complètement ^{et la mesure} faite par

une méthode de zéro au moyen d’un électromètre très sensible. Le résultatfut : s =0,7. ^Ce nombre, beaucoup plus grand que celui qui

est relatif aux petits ^ions (0,27), indique que ^les collisions sont beau- coup plus ^souvent suivies de recombinaisons et, par suite, ^{les mobi-}

lités bien plus ^faibles. Cependant ^{le fait} que le résultat est encore

notablement inférieur à l’unité semble difficile à expliquer, ^{si les mo-}

bilités ont la valeur extrêmement faible correspondant ^aux gros ions (0~,01).

La question méritait donc à tous égards ^d’être reprise, ^{et c’est}

(1) P. LANGEVIN et E. BLOCH, ^C. li., ¹⁴ novembre 1904.

(2) ^{Voir sur tout ce} qui ^{est relatif au} rapport E: ^{P. LANGEVIN, Ann. Ch. Ph.,} t. XXVII; 1903 ; -E. BLOCH, ^{Ann. Ch.} Ph., IV, p. 102; ^1905.

,

763

pour cela que j’ai effectué la mesure directe des mobilités dans les gaz issus d’une flamme dans des conditions expérimentales ^aussi simples que possible.

3.

La méthode employée ^{est une} méthode de courant gazeux : le courant d’air d’une canalisation d’air comprimé passe dans ^un déten-

deur, puis ^{dans un robinet à} pointeau ^P (fig. 1) qui permet ^de régler ^son

débit. Il traverse ensuite une colonne de coton C de 20 centimètres de longueur, ^{destinée à arrêter} complètement ^les poussières ^{et les}

ions qu’il peut renfermer. Puis il arrive au niveau d’une très petite

flamme de gaz d’éclairage ^F qui jaillit ^{dans l’axe} d’un tube métal-

lique. 11 entraîne avec lui les ions produits par cette flamme, ^{et le}

refroidissement des gaz s’opère extrêmement vite, ^{car la} petite

flamme bleue utilisée n’a guère que ^{1 à 2} millimètres de longueur

sur 1 millimètre de diamètre. Les gaz parcourent ^{une série de tubes}

et de récipients métalliques plus ^ou moins volumineux (tels que le

récipient A) ^avant d’arriver dans le tube cylindrique ^{en laiton T où}

se font les mesures électriques. ^Ce tube, ^{de 28} millimètres de dia-

mètre, porte ^suivant son axe une électrode en laiton E de 1 centi- mètre de diamètre et 50 centimètres de longueur qu’une tige ^{de sou-}

tien, ^{isolée à} l’ébonite, permet ^{de relier à} l’électromètre. Le bouchon d’ébonite est séparé par ^un tube métallique, ^{servant de tube de} garde ^{et maintenu au} potentiel zéro, ^{d’un anneau} d’ébonite fixé sur

le tube T. On évite ainsi toute espèce ^{de fuite à} l’électromètre par l’intermédiaire des supports, ^{et les courants de} charge ^ne peuvent

traverser que le gaz. ^Toute la canalisation qui ^{met en} relation l’élec-

764

trode E avec l’électromètre, est, ^du reste, électrostatiquement protégée.

L’électromètre employé ^{est un} électromètre Curie sensible; ^{son ai-}

guille ^est chargée ^en permanence ^{à 90} volts. L’une des paires de qua- drants Q’ est ^{reliée en} permanence ^à la cage (sol), ^l’autre Q ^{lui est reliée}

par l’intermédiaire d’un interrupteur électromagnétique ¹ que ^l’on

peut ^{actionner à} distance, ^et peut ainsi être isolée au moment de faire une mesure. C’est à cette paire ^de quadrants qu’est reliée l’élec- trode E. Le tube est chargé ^{à un} potentiel ^{variable au} moyen d’une batterie de petits accumulateurs. Afin de faire varier le potentiel

dans des proportions ^{bien connues et} d’éliminer les’ inégalités ^des

.diverses boîtes d’accumulateurs, la batterie entière est fermée sur une très forte résistance R fi mégohm), ^{dont une} des extrémités est au sol, ^{et dont un} point ^{variable est relié au} tube T. On cons-

titue ainsi une sorte de potentiomètre, ^au moyen duquel ^le potentiel ^{du tube T} peut être amené depuis ^{la valeur} zéro jusqu’à

la force électromotrice totale de la batterie de charge.

Quel que soit ^le potentiel ^{du tube T, toutes les} enveloppes ^métal- liques traversées par le gaz depuis la ilamme jusqu’à l’électrode lui

sont constamment reliées, ^et par ^{suite sont} portées ^{au même} poten- tiel (il ^est nécessaire à cet effet de les isoler). Les gaz de la flamme, produits ainsi dans un champ nul, ^{ne sont} par la suite soumis ^à

aucun champ ^avant d’arriver dans le tube de mesure, et la distribu- tion des ions peut y être regardée ^comme uniforme, ^{surtout si l’on} considère que ^{l’on soumet à} dessein les gaz ^à des ressauts assez

nombreux destinés à les brasser le mieux possible.

Pour vérifier la constance du débit de gaz ^{et mesurer la valeur} de

ce débit, les gaz arrivent, ^{au sortir du tube} T, ^{dans un tube de verre,} qui porte ^en dérivation un manomètre sensible M du type Tôpler ^à

bulle ^de xylène. Les déviations de cette bulle, ^{dues à} la chute de

pression ^du gaz ^le long du tube de _verre, c’est-à-dire à la viscosité de l’air, permettent de connaître le débit à chaque ^instant, après que l’on a fait un étalonnage convenable au moyen ^{d’un vase de} Mariotte (’).

Le débit a toujours ^été parfaitement ^constant pendant ^{toute la durée}

d’une série de mesures (en moyenne ¹⁵⁰ centimètres cubes par

seconde).

(1; Voir pour le détail de cette méthode d’étude des débits gazeux : E. BLOCH,

Ann. CIc. ,1V, p. 4-7; ^190~.

765

L’expérience étant mise en marche et le régime permanent atteint,

on charge ^{le tube T à des} potentiels positifs ^ou négatifs progressive-

ment croissants, ^de manière à créer des champs correspondant ^à

l’intérieur du condensateur cylindrique ^{TE. Ce} champ ^{amène les} charges d’un certain signe ^sur r électrode E, ^{de sorte} _que si, ^à chaque fois, ^{on isole avec} l’interrupteur ^{I la} paire ^de quadrants Q, ^{la mesure}

faite au chronomètre de la vitesse de déviation de l’électromètre

mesure l’intensité du courant qui ^{traverse à ce moment} le gaz du ^con- densateur. La courbe donnant les intensités de courant en fonction des

potentiels ^{du tube est la courbe} dite de saturation. Lathéorie montrer)

que, ^si les ions recueillis par l’électromètre ^{ont une} mobilité parfai-

tement définie K, ^cette courbe doit avoir la forme indiquée ^{sur la} (courbe I) ; ^{si l’on construit cette courbe et si l’on détermine}

l’abscisse V du coude, la mobilité des ions se calcule par ^la for- mule : -.

dans laquelle ^{a, b et 1} représentent les rayons des deux ^armatures.

du condensateur et la longueur ^de l’électrode, U le débit du gaz.

Si, ^au contraire, le gaz renferme des ions de mobilités variées, ^le coude net de la figure ^{doit être} remplacé par ^un raccord à courbure

plus ^{ou moins} rapidement variable, les abscisses des points ^{à forte}

courbure permettant ^{encore d’évaluer une mobilité} moyenne par la même formule ()).

4.

Voici maintenant les résultats des expériences.

Il est facile d’augmenter progressivement ^{la durée du} séjour ^des

gaz dans les récipients intermédiaires entre la tlamme et le tube de

mesure T. Il suffit, pour cela, d’augmenter le volume de ^ces réci-

pients ^{A, et la} connaissance de la durée de séjour ^{se déduira avec}

une approximation suffisante de celle du débit et du volume total des

récipients. J’ai ainsi ajouté peu ^à peu ^en série des récipients ^de plus

en plus grands (de ^{3 à 100} litres), de manière à augmenter ^{la durée}

du séjour des gaz de quelques ^{secondes à} vingt-deux ^{minutes. Or les}

courbes de saturation ont au début l’aspect ^{de la courbe II} ( fig. 2) ;

peu à peu les courbes se déforment et elles finissent _par prendre

(1) ^{Cf. Ans. C7t.} Ph., ^loc. cit., p. 65.

(’’) LANGEYIN, ^C. R., ^t. CXL, p. 232; ^1905.

J. de Phys., ^4e série, ^{t. IV.} (Novembre 1905.) ⁵¹

766

l’aspect de la courbe III. Les conclusions qu’il ^{faut tirer de là sont}

évidentes :

Au début, la forme de la courbe se rapproche de la forme théo-

rique ^{I. Il} y ^a donc dans le gaz des ions ^d’une mobilité assez nette- ment définie, et, si l’on calcule cette mobilité en se servant de l’ab- scisse du point H, ^{on trouve} des nombres compris ^{entre omm,5 et}

i millimètre. A mesure que ^la durée du parcours imposé ^aux gaz ^va

en augmentant, ^la mobilité devient moins bien définie. Cependant ^sa

valeur moyenne diminue fortement, ^et elle finit par atteindre des valeurs de Lordre de 0--,01. ^Il s’est donc formé dans le gaz des gros

ions, ^{mais il a} fallu pour cela ^un temps ^allant jusqu’à quinze ^ou vingt ^minutes.

Fm. 2.

Une fois cette limite atteinte, ^{on constate} aisément que le ^courant de saturation correspondant ^{aux ions} négatifs ^est plus intense que celui qui correspond ^{aux ions} positifs, ^{et cela dans le} rapport ^{de 5 à}

4 environ. Le gaz doit donc emporter ^{avec lui un excès de} charges négatives. Cette conclusion se vérifie facilement en envoyant les gaz dans un cylindre ^{de laiton} rempli ^{de coton et relié à} l’électromètre.

Ce cylindre, ^{arrêtant toutes les} charges présentes dans le gaz, fonc- tionne comme cylindre ^de Faraday, ^et l’électromètre accuse effec- tivement une charge négative (~ ) .

Les résultats précédents expliquent ^{la valeur} 0,7 ^trouvée pour le

rapport dans les gaz de la flamme (voir plus haut). ^{Les mesures}

sur le rapport ^{E ont en effet été} faites dans des conditions telles que les mobilités utilisées étaient voisines de Il est donc naturel (1) ^Ce fait était déjà ^connu depuis ^assez longtemps, puisque lord Kelvin l’a

signalé ^{dès 1897} (Nature, ^avril 1891).

767

que le rapport du nombre de recombinaisons au nombre total des collisions ait été plus grand que pour ^les petits ions, ^{sans arriver} cependant ^à égaler ^{tout à} fait l’unité. Qu’arriverait-il si, profitant ^des

indications obtenues, ^{on faisait à nouveau la mesure de ~, en} opé-

rant cette fois sur des gaz ^{assez vieux} (t 5 ^{ou 20} minutes), ^{de ma-}

nière à avoir des mobilités de l’ordre de Atteindrait-on la limite e =1 que prévoit la théorie ?

Je n’ai pas ^tenté l’expérience,

à cause même de la particularité ^établie plus haut de l’existence d’une charge négative ^{dans le} gaz. Le champ ^intérieur qui ^{en résulte}

modifie les conditions théoriques ^où l’on s’était placé pour faire ^le calcul conduisant à la connaissance du rapport ^{E, et} l’expérience ^ne

serait plus susceptible ^d’une interprétation ^claire.

’

Au fait maintenant établi de l’existence de gros ions dans les gaz de la flamme suffisamment vieux, ^{il faut} ajouter ceci : la diminution de la mobilité est assurément due dans les premières ^{secondes à la}

chute de température; mais, dans les conditions où j’ai opéré, ^les

gaz de la flamme ^sont entièrement ramenés à la température ^ordinaire

au bout d’un temps qui n’excède pas ^trente secondes, ^et cependant

à ce moment la faible mobilité limite est loin d’être atteinte. C’est

ce qu’un thermomètre quelconque placé ^{dans le tube, et} bien isolé

thermiquement, permet de vérifier immédiatement. C’est donc à un

autre mécanisme qu’au simple refroidissement qu’il faut attribuer la chute progressive ^et lente de la mobilité qui ^{continue à se} pro- duire dans le gaz après ^{les trente} premières secondes, ^et qui, ^{en se} prolongeant pendant quinze ^à vingt ^minutes, ramène finalement la mobilité ^à celle qui caractérise en moyenne les gros,ions. ^{Il existe}

dans les ions produits ^{au début une cause} d’instabilité qui ^les oblige

à accroître peu ^à peu ^{leur masse} jusqu’à ^un état final

stable,. Cet accroissement de masse, décelé par ^la décroissance de la mobilité, ^{se fait} peut-être par la diffusion ^vers les centres chargés

de la vapeur d’eau ^contenue dans les gaz de la flamme. Mais, quoi qu’il

en soit, ^il semble certain que la mobilité ^ne correspond pas ^{à un} état stable tant qu’elle ^{n’a pas atteint sa valeur la} plus ^{basse. La}

conclusion la plus importante ^{de ce travail me} paraît ^{donc être}

celle-ci :

Les gaz de la flamme renferment des ions dont la mobilité va en

diminuant avec le temps jusqu’à ^ce qu’elle ^ait pris (après ^ou

vingt minutes) ^{une valeur} finale stable ; ^{elle est} alors du mêJne ordre

que celle des ^autres gros ions ^connus.

768

5.

Je terminerai en rapprochant ^ce résultat d’autres faits déjà

connus :

f 0 D’après la théorie de la condensation sur les ions développée

par ^M. Langevin, j’avais émis antérieurement l’hypothèse (loc. cit.) qu’il ^ne saurait exister aucun intermédiaire entre les gros ions ^et les

petits ^{ions : ces deux} catégories ^{seraient nettement} distinctes et sans liaison continue possible. ^Cette hypothèse, ^confirmée jusqu’ici

par ^tous les faits, ^est d’accord aussi avec le résultat précédent,.

puisque ^les mobilités intermédiaires observées dans les gaz de la flamme ne sont pas stables ^et tendent à diminuer. Mais on rencontre

ici un caractère nouveau des gros ions, ^{c’est la} possibilité ^d’une for- mation remarquablement ^{lente. M.} Langevin (’ ) ^{a du reste} exposé

récemment le résultat d’expériences ^sur le mode de formation des gros ions qui ^sont pleinement ^{d’accord avec la même} hypothèse.

2° L’expérience ^{bien connue} de la condensation dans les jets ^de

vapeur réussit ^avec les _{rayons de} Rôntgen ^{et de} Becquerel (petits ions), ^mais d’une manière beaucoup moins brillante qu’avec ^le phos- phore, les flammes et l’aigrette. ^{De ces} trois derniers exemples, ^les

deux premiers comportent, d’après ^ce qui précède, ^la présence ^de

gros ions. Les gros ions ^ne seraient-ils pas, dans ^tous les _cas, la cause

principale de la condensation intense dans le jet ^de vapeur? ^{S’il en}

est ainsi, ^les gaz avoisinant ^une aigrette ^{doivent renfermer} des gros

ions, ^et diverses indications permettent déjà ^{de faire cette} hypothèse

avec quelque vraisemblance. Je ^me propose de revenir plus ^{tard sur}

cette question, ainsi que ^sur d’autres cas de gros ions dont l’existence

paraît ^des plus probables ( ~) .

SUR UNE PARTICULARITÉ DE LA DOUBLE RÉFRACTION ACCIDENTELLE DANS LES LIQUIDES

(Deuxième note) ;

Par M. LAD. NATANSON.

Dans sa première ^note (3), Zaremba admettait évidemment que les équations dont j’avais fait usage dans ^mon mémoire Su)- une parti-

(1) Séances cte Za Société de Physique, ^{mai 1905.}

(2) ^Par exemple, les gaz avoisinant ^une étincelle électrique ^{ou un arc} électrique.

(3) ^{J. cle} Pltys., ^4e série, ^vol. III, p. 606 ; ^{août 1904.}