HAL Id: jpa-00241603
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00241603
Submitted on 1 Jan 1910
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Étude de quelques propriétés spectroscopiques et électriques de l’arc entre métaux
Ch. Fabry, H. Buisson
To cite this version:
Ch. Fabry, H. Buisson. Étude de quelques propriétés spectroscopiques et électriques de l’arc entre
métaux. J. Phys. Theor. Appl., 1910, 9 (1), pp.929-961. �10.1051/jphystap:019100090092900�. �jpa-
00241603�
929
ÉTUDE DE QUELQUES PROPRIÉTÉS SPECTROSCOPIQUES ET ÉLECTRIQUES
DE L’ARC ENTRE MÉTAUX ;
Par MM. CH. FABRY et H. BUISSON.
Au cours d’études spectroscopiques entreprises depuis plusieurs
années, mesures de repères fondamentaux dans le spectre, comparai-
son entre les longueurs d’onde des raies de l’arc et du soleil, nous
.
avons employé d’une façon constante l’arc entre tiges de fer dans des conditions assez variées. A propos de ces expériences, nous avons
fait un certain nombre d’observations que nous avons ensuite éten- dues et coordonnées. Nous nous proposons, dans le présent mémoire, d’exposer les résultats ainsi obtenus.
Nous y étudions tout particulièrement l’arc au fer. Il est suscep-
tible d’exister, tant à la pression atmosphérique qu’à des pressions réduites, sous deux régimes distincts, différant au point de vue spec-
troscopique etau point de vue électrique. Dans l’un d’eux, le gaz am- biant joue un rôle actif ; son spectre est présent en certains points de l’arc, au voisinage de l’anode, où il s’est en quelque sorte substitué
à un des spectres caractéristiques du métal, celui d’étincelle, dont
nous avons constaté l’existence inattendue dans l’arc, mais localisée
aux électrodes.
Le rôle fondamental de la cathode dans le phénomène de l’arc
s’affirme par son invariabilité dans les deux régimes et par l’étude
des conditions de stabilité.
Nous avons étendu à un certain nombre d’autres métaux quelques-
uns des résultats obtenus pour le fer.
,
I.
-APPAREILS ET MÉTHODES D’OBSERVATION.
~1° Production de l’arc électrique.
-Nous avons étudié uniquement
l’arc à courant continu. Nous disposons, sur les secteurs de la ville,
de tensions de 1iO, 2’20 et 440 volts. En y ajoutant la tension de nos
batteries d’accumulateurs, nous pouvons dépasser 600 volts. Le cir-
cuit de l’arc contient une résistance de réglage et un ampèremètre ;
un voltmètre donne la différence de potentiel entre les électrodes.
Pour produire l’arc à l’air libre, nous employons un régulateurà
main. Pour l’obtenir sous pression réduite, ou dans d’autres gaz que
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019100090092900
930
l’air, nous utilisons l’appareil que nous avons déjà décrit (~ ), cons-
titué par un cylindre de fonte muni d’une tubulure fermée par une lame de quartz pour laisser passer la lumière. Un dispositif très simple permet de déplacer une des électrodes et, par suite, de faire
varier la longueur de l’arc. Une ouverture met en communication
avec une pompe à vide. Quand on opère à une pression faible, la
pompe doit rester en marche continuellement pour évacuer les gaz
dégagés par les électrodes. Malgré l’emploi d’appareils à grand débit (pompes Gaede), nous n’avons pas pu maintenir des pressions nota-
blement inférieures à 1 millimètre quand l’arc fonctionne.
Lorsqu’on veut mesurer la lon gueur de l’arc, on en projette, au
moyen d’un objectif photographique, une image agrandie sur une
échelle divisée ; le grossissement est mesuré une fois pour toutes.
~° Appareils spectroscopiques.
-Une première recherche nous ayant montré que les diverses régions de l’arc peuvent donner des spectres très différents, nous avons été conduits à faire une étude
détaillée de la lumière émise par ses diverses parties. L’emploi d’appareils spectroscopiques sans astigmatisme rend cette étude beaucoup plus facile. Lorsqu’il existe un fort astigmatisme, comme
c’est le cas avec le réseau concave employé selon les rnontages habituels, on ne peut pas distinguer les spectres correspondant à chaque point de la fente. On ne peut étudier les divers points de la
source qu’en les prenant successivement, et, s’il s’agit d’observations
photographiques, en faisant une pose pour chacun d’eux. Ce procédé
d’étude est extrêmement long et pénible et, si une région intéressante est très peu étendue, elle risque d’échapper à l’observation.
L’étude devient au contraire très facile, lorsqu’on dispose d’un appareil spectroscopique sans astigmatisme, en projetant dans le plan de la fente une image de l’arc. On peut, selon les cas, opérer
de deux manières différentes. Si, dans le spectre étudié, les raies
ne sont pas trop voisines, on peut élargir la fente de telle façon qu’elle laisse passer toute l’image de l’arc; on obtient alors une série
d’images monochromatiques, qui renseigne imrnédiatement sur
l’émission des différents points de l’arc. Pour que cette méthode
puisse être employée, il faut que les diverses images monochroma-
tiques n’empiètent pas; pour cela, il y a avantage à projeter sur la
(’) J. de Phys., ~e série, t. IX, p. 3~~ ; 1910.
931 fente une très petite image de l’arc et à employer une très grande dispersion. Si, au contraire, les raies sont trop serrées, on doit employer une fente fine, ce qui donne les mêmes renseignements
pour une section de l’arc.
Nous avons employé, selon les cas, des spectroscopes à prismes,
ou à réseau, montés de manière à ne pas donner d’astigmatisme.
Spectroscope à prismes de quartz.
-Nous avons surtout employé
cet appareil pour la région des petites longueurs d’onde, où il a l’avantage d’être plus lumineux que les appareils à réseau, tout en
donnant une dispersion de même ordre.
La partie dispersive est constituée par deux prismes de quartz
de 60°, formés chacun de deux demi-prismes droit et gauche. Le col-
limateur a comme objectif un miroir métallique, ce qui donne un
achromatisme parfait. Sa distance focale est de 125 centimètres.
Comme objectif de chambre photographique, on peut employer :
1° Un objectif quartz-fluorine de Zeiss, de 30 centimètres de foyer.
Il est presque rigoureusement achromatique pour toutes les radia- tions visibles et ultra-violettes ; on obtient alors un spectre parfaite-
ment net sur une plaque normale au faisceau. La dispersion est faible, mais le spectre est extrêmement lumineux;
2° Un objectif simple en quartz, de 108 centimètres de foyer, pour la région 5500. Comme il n’est pas achromatique, la plaque photo- graphique doit être inclinée par rapport au faisceau. Toutefois, grâce à l’emploi du collimateur achromatique et à la grande disper-
sion produite par les deux prismes, l’inclinaison est assez faible :
l’angle du faisceau avec la normale à la plaque est d’environ ~’1°. On
sait que dans les appareils à un seul prisme et à deux objectifs de quartz, cet angle dépasse 65°, ce qui donne à la plaque photogra- phique une position très incommode.
L’axe du collimateur, et par suite le plan de symétrie de l’appa-
reil, sont verticaux ; la fig. 1 donne une coupe de l’appareil par ce
plan. Le faisceau incident, qui le plus souvent est horizontal, est
rabattu verticalement sur la fente au moyen d’un prisme à réflexion
totale en quartz R. La lumière se réfléchit sur le miroir collima- teur M, puis traverse les deux prismes P, P’, l’objectif C de la
chambre et vient donner le spectre sur la plaque photographique T,
qui a 18 centimètres de longueur. La déviation totale étant voisine
de ~0°, l’axe de la chambre s’écarte peu de l’horizontale. Le
932
premier prisme est fixe; le second et la chambre forment un ensemble que l’on peut faire tourner autour d’un axe horizontal H, placé symétriquement par rapport aux deux prismes. L’angle d’inci-
’
~
FiG. 1.
dence sur le premier prisme, égal à l’angle d’émergence sur le second, a été pris égal à 530,5, valeur qui correspond à la déviation
minimum pour la radiation 2400. Pour toutes les positions de la chambre, la radiation qui tombe au milieu de la plaque suit une
marche symétrique par rapport aux deux prismes.
1
Le tableau suivant donne la dispersion obtenue, dans les diverses régions du spectre, avec l’objectif en quartz de 1 métre de foyer.
On a souvent à projeter sur la fente l’image d’un arc, produit entre
933
électrodes verticales. Selon que l’arc est placé dans le plan de symé-
trie de l’appareil ou dans le plan perpendiculaire, l’image projetée
est coupée par la fente transversalement ou longitudinalement.
Spectroscopes à réseaux.
-1° 0 Réseau plan.
-A u début de ces recherches, nous avons employé le spectroscope à réseau plan avec objectif de verre, monté selon le dispositif autocollimateur (1). Cet appareil n’est pas utilisable pour l’ultra-violet, à cause de l’opacité
de l’objectif.
Pour obtenir un appareil plus puissant et d’un emploi plus géné-
,ral, nous avons fait un montage sans astigmatisme de notre très beau
réseau concave de Rowland.
2° Réseau concave.
---Le réseau conca~~e, monté selon les disposi-
tifs habituels, présente un fort astigmatisme : à un point de la fente,
éclairé par une lumière monochromatique, correspondent deux focales, l’une perpendiculaire et l’autre parallèle aux traits du réseau.
Quand la fente est parallèle aux traits, les diverses focales de la deuxième espèce se superposent, et donnent une ligne nette, qui
n’est pas une image de la fente, et sur laquelle on ne peut pas dis-
tinguer ce qui est relatif aux différents points de la fente. L’astig-
matisme disparaîtlorsque les deux conditions suivantes sont remplies :
fente à l’infini et faisceau diffracté normal au réseau. Il en est de même dans le cas réciproque, qui est moins commode. Pour obtenir le faisceau incident parallèle, il faut employer un collimateur, qui peut être un appareil à lentille ou à miroir. Le premier cas présente
l’inconvénient de donner lieu à des défauts d’achrolnatisme et à des difficultés provenant de l’absorption.
Nous avons donc employé un appareil à miroir métallique. La fig. 2 en donne la coupe par un plan horizontal. La lumière qui a
traversé la fente F est renvoyée par le petit prisme à réflexion
totale eut quartz R sur le miroir métallique NI de 15 centimètres de diamètre et 3 mètres de foyer. Le faisceau réfléchi, ainsi rendu paral- lèle, vient tomber sur le réseau concave G (partie striée 14 X 5 cen- timètres ; 568 traits au millimètre, soit environ 80.000 traits). Le
réseau est placé un peu au-dessous du prisme R, afin que celui-ci
ne porte pas ombre. Le spectre vient se former sur la plaque photo- graphique T de 2à centimètres de longueur, qui est toujours placée
(1) J. cle Yh~s., 48 série, t. lx, p. 299~ 1910.
934
normalement au faisceau, mais dont on peut faire varier la distance
au réseau pour la mise au point. Le réseau et la chambre photogra- phique sont portés par une poutre en bois P de 3,-,80 de long, qui
peut tourner autour d’un axe vertical passant par le milieu du réseau
r
FIG. 2.
Pour passer d’une région à une autre du spectre, on fait tourner
cette poutre, qui entraîne le réseau et la chambre, et on fait la mise
au point par glissement de la chambre sur la poutre.
Pour une valeur a de l’angle des faisceaux incident et diffracté,
on aura au milieu de la plaque la radiation de longueur d’onde :
et la distance de la plaque au réseau devra être
Équations dans lesquelles ~3 représente le numéro d’ordre du
spectre utilisé, cc l’intervalle des traits du réseau, et R son rayon de
courbure, dont la valeur est 6~n,~0. L’angle x variant entre 0 et ~~°,
la distance p varie entre 3ill,25 et 3~,80. La poutre P glisse sur une
table B dont le bord fixe porte une division en centimètres ; onl a
935 tracé une courbe qui donne la position de la poutre et le tirage de la
chambre pour chaque longueur d’onde.
Le champ est légèrement, courbe ; on obtient un spectre au point
sur toute la longueur de la plaque (24 centimètres) en donnant à
celle-ci une courbure telle que la flèche atteigne 5 millimètres environ.
La dispersion varie un peu d’un bout à l’autre du spectre; par
exemple, en second spectre, un angstrôm occupe une longueur
de onlln~38 dans la région 2000 et de 0mm,42 dans la région 6500.
Des tubes en carton noirci empêchent l’introduction de la lumière extérieure et évitent la nécessité de faire l’obscurité dans la salle
pendant les poses photographiques.
il.
-ARC A L’AIR LIBRE
Les deux régimes de l’arc.
-Ce qui va suivre s’applique spécia-
lement à l’arc au fer, qui présente avec une netteté particulière les phénomènes que l’on va décrire.
L’arc entre tiges de fer peut exister sous deux régimes différents qui se distinguent par l’aspect du phénomène, ses propriétés spec-
troscopiques, et la différence de potentiel aux électrodes (~).
Dans les deux cas, le rôle de la cathode, fondamental dans tous les phénomènes d’arc, reste le même ; l’aspect de la partie catho- dique de l’arc ne change pas. Les deux régimes se distinguent par le rôle de l’anode : dans l’un, le métal intervient exclusivement, dans
l’autre le gaz ambiant joue un rôle important. Lorsqu’on passe d’un
régime à l’autre, la longueur de l’arc et l’intensité du courant restant les mêmes, il y a une brusque variation de la différence de potentiel
entre les électrodes.
Ces deux régimes peuvent être obtenus, plus ou moins facilement,
à toutes les pressions. On va d’abord étudier le phénomène dans le
cas de l’arc à l’air libre.
Premier régime.
-A la pression atmosphérique, c’est celui qui
se produit le plus facilement; on l’obtient toujours lorsque l’in tensité du coursant dépasse 2 ou 3 ampères. L’aspect de l’arc est alors le
(1) L’existence de deux régies de l’arc au fer a été signalée presque en même
temps par nous (Comptes Rendus, t. CXLYL p. 1143, 1ai’juin 1908) et par M~1. Cady
et Arnold (Amel’ican Journctl of science, ~C série, vol. XXIV, novembre 1901), qui
se sont occupés uniquement des propriétés électriques.
936
suivant : il se présente comme formé de deux flammes, partant des électrodes, et se rejoignant dans une région plus sombre. Visuelle-
ment, la flamme négative est beaucoup plus brillante que la positive,
et la différence est d’autant plus marquée que l’on utilise des radia- tions de plus grande longueur d’onde. Ces particularités sont bien
visibles sur les images (’) qui forment la ligne supérieure de la ~g. 3,
photographies de l’arc prises à travers des écrans ne laissant passer que certaines radiations. Sur toutes ces images le pôle négatif est
en haut..
A est pris à travers un verre rouge (), > 6000). La flamme posi-
tive y est extrêmement réduite, tandis que la négative est très
intense.
(1) Ces images, comme d’ailleurs toutes les reproductions photographiques données dans ce travail, sont des négatifs, c’est-à-dire que les parties brillantes
dans la réalité sont représentées par des noir:;;;. Les impressions obtenues de
cette manière sont beaucoup plus lisibles que les images imprimées en traits
blancs sur fond noir.
937
’
B est obtenu en utilisant les radiations vert. bleu (~ compris entre
4600 et 5100) ; la flamme positive est déjà relativement plus intense.
La négative a une forme de houppe particulière.
C correspond aux radiations violettes (A compris entre 4000 et 4600) ; les deux flammes prennent des intensités moins différentes.
D est obtenu à travers l’écran de Wood, qui ne laisse passer que les radiations comprises entre 3500 et 4000. Les deux flammes ont alors des intensités voisines.
Si l’on utilise des radiations de très petite longueur d’onde, la
différence s’atténue de plus en plus, et vers 2400 les deux flammes
ont la même intensité. C’est ce qu’on observe sur les images mono- chromatiques de l’arc de la fig. 5A, obtenues au moyen du spectro- scope à prismes de quartz (pôle négatif en bas).
A part ces différences d’intensité, les spectres émis par les deux flammes sont à peu près identiques, et ils sont constitués uniquement
par les raies connues sous le nom de raies d’arc, à l’exclusion des raies d’étincelles. Ilfaut toutefois indiquer que, dans le spectre de la
flamme négative, il y a de nombreuses raies renversées, ce qui n’a
pas lieu dans le spectre de la flamme positive. On trouve un exemple
de ce fait dans le spectre représenté ~.c~. 4A; il est obtenu au moyen du spectroscope de quartz, l’image de l’arc étant projetée sur la
fente fine. Sur le dessin, le négatif est en bas. Dans la région 2500,
on voit de nombreux renversements, qui existent seulement du côté négatif.
Les raies dues aux impuretés du fer apparaissent surtout dans la
flamme négative.
°
Chacune des deux flammes semble avoir pour origine un point
brillant situé sur la goutte d’oxyde fondu qui termine chaque élec-
trode. Ces points émettent toutes les raies d’étincelle, alors que les flammes de l’arc ne les donnent pas. Lorque l’on produit des images monochromatiques de l’arc, les deux catégories de raies se dis- tinguent immédiatement : les raies d’arc donnent des images for-
mées de deux flammes, tandis que, pour les raies d’étincelles, l’image
se réduit à deux points. Dans le spectre visible, cette dernière caté-
gorie de raies n’est pas très nombreuse ; elle comprend les raies in-
diquées par Lockyer et désignées par lui sous le nom de enhanced
lines. C’est le cas des raies 4924 et 5018. Il en est de même des
raies analogues signalées par Hale et Adams dans la région rouge,
par exemple les raies 6247 et ~6456. Dans l’extrême ultra-violet,
938 FABRY ET BUISSON
ARC ENTRE MÉTAUX 939
940 FABRY ET BUISSON
941 les raies de cette espèce sont très nombreuses, à tel point que dans la région 2400 une grande partie du rayonnement provient
des deux points brillants des électrodes. Quant à l’intensité rela- tive de ces deux points, elle varie systématiquement d’une région
à une autre du spectre. Dans la région visible, c’est le point négatif qui est nettement le plus brillante la différence s’atténue à mesure
que l’on avance vers les petites longueurs d’onde et vers ~400 c’est
le point positif qui est le plus intense, et cela pour toutes les raies d’étincelle. Il semble que l’intensité relative des deux points varie à
peu près suivant la même loi que celle des deux flammes.
L’aspect différent des diverses raies est bien visible sur les figé 4A,
SA et 7 A.. Les deux premières, relatives à la même région, sont ob-
tenues au moyen du spectroscope du quartz, l’une avec fente fine,
l’autre avec fente élargie pour donner les images complètes de l’arc ;
la fic~. 7A est obtenue avec le spectroscope à réseau et fente large.
La distinction entre raies d’arc et raies d’étincelle n’est pas abso- lue : il semble y avoir une infinité d’intermédiaires. Les raies qui
sont considérées comme purement d’étincelle, c’est-à-dire dont l’in- tensité dans l’arc est nulle ou très faible, se présentent comme des points brillants entièrement localisés aux électrodes. Les raies qui
sont purement des raies d’arc, c’est-à-dire dont l’intensité dans l’étincelle est très faible, se présentent sous formes de flammes sans
renforcement aux électrodes. Enfin, les-raies communes à l’arc et à
l’étincelle apparaissent dans la flamme avec renforcements aux élec- trodes. Sur les figures déjà citées, on peut relever des exemples des
trois cas, réunis dans le tableau ci-dessous. Les intensités des raies d’arc et d’étincelle sont prises dans les tables de Exner et Has-
chek (’ ) .
Raies d’étincelle.
( 1) EXjB’EH et HASCHEK, ~e~e~~~e?~-~6e~e?~, 1902 et 1904.
942
Ce mode d’émission des raies d’étincelle n’est pas particulier à
l’arc au fer : on obtient des phénomènes analogues en étudiant l’arc
entre deux tiges métalliques quelconques. Les fig. 6 et 9 donnent
deux exemples de spectres de métaux autres que le fer. La pre- mière représente une portion du spectre du nickel (images mono- chromatiques de l’arc obtenues en le projetant sur la fente élargie
du spectroscope à prismes de quartz). La seconde se rapporte à l’arc
entre tiges de cuivre et est obtenue avec le même spectroscope, mais avec fente fine.
1
L’émission des raies d’étincelle par l’arc électrique a longtemps passé inaperçue, probablement parce qu’on s’est servi de réseaux
concaves doués d’astigmatisme, qu’on a souvent disposé l’arc per-
pendiculairement à la fente, et qu’enfin on a surtout étudié l’arc en
plaçant le métal sur des pôles de charbon (4).
L’émission des raies d’étincelles par les points brillants des élec- trodes explique certains faits curieux : toute cause qui diminue l’in-
tensité et la longueur des flammes de l’arc tend à produire une pré-
(1) A différentes reprises des observations partielles ont été faites sur ce sujet.
L’emploi de moyens d’observation peu appropriés n’a pas permis de préciser la
véritable nature du phénomène. C’est ainsi que, peu de temps après notre pre- mière publication sur ce sujet (C. R., t. CXLVI, p. 751 ; 6 avril 1908), Duffield a
consacré un mémoire à la même question (Astl’ophysical Journal, t. XXVII, p. 260; mai 1908), sans localiser d’une manière nette la région d’émission des raies d’étincelle.
Fowler (l~onthly notice, t. LXXVI, p. 154; >1901) a observé, dans la partie visible
du spectre de l’arc au fer, la présence des raies d’étincelle émises au voisinage des électrodes.
IIartn1ann (Ast?’ophysical Journal, t. XVII, p. 210; 1903) a signalé la présence
de la raie d’étincelle 4481 au voisinage immédiat des électrodes dans le spectre
de l’arc entre tiges de magnésium,.
943 dominance des raies d’étincelle. Ainsi l’arc sous l’eau émet ces raies,
comme l’ont montré Hartmann et Eberhard (~) dans le cas du magné- sium, du zinc et du cadmium. Il en est de même pour l’arc à très faible intensité, forcément très court, surtout si la tension est peu élevée; de rnéme encore pour l’arc fréquemment rallumé, comine
l’a observé King (2), qui attribuait le phénomène à des oscillations
électriques. Toute interprétation de ces observations basée sur la considération des températures ou du régime électrique paraît inexacte; il n’y a pas autre chose à faire intervenir que l’importance
relative des extrémités et du milieu de l’arc.
Lockyer attribue la production des raies d’étincelle à une tempé-
rature particulièrement élevée. Dans le cas de l’arc, il faudrait sup- poser que la température est plus élevée au voisinage immédiat des électrodes ; il est difficile de dire s’il en est ainsi. Nous avons cons-
taté que la limite d’interférence pour les raies émises par les points
brillants des électrodes est sensiblement la même que pour les autres raies, et que par suite leur largeur n’esi pas plus grande. Ce fait
n’est pas favorable à l’hypothèse d’une température plus élevée. On peut, avec plus de vraisemblance, attribuer la production des raies
d’étincelle à la chute de potentiel rapide qui existe au voisinage des
électrodes. Les ions prendraient là, comme dans l’étincelle, des
vitesses très grandes, et leurs chocs plus violents donneraient lieu à l’émission de raies qui ne se produiraient pas avec des vitesses plus
faibles. La température ne jouerait, dans le cas actuel, aucun rôle
dans la production des raies d’étincelle. D’autre part, la température seule, si elle est suffisamment élevée, peut donner les mêmes vitesses
sans aucun phénomène d’origine électrique. Dans un rayonnement purement thermique, les raies d’étincelle seraient des raies de tem-
pérature élevée. En résumé, la condition d’émission de ces raies serait l’existence de vitesses très grandes, ces vitesses étant dues, selon les cas, à la présence d’un champ électrique ou au mouvement d’agitation thermique.
Second régime.
-Le régime que nous venons de décrire est le seul stable lorsque le courant est intense. Partant de cet état, lais-
sant fixes la longueur de l’arc et la force électromotrice de la source
de courant, si l’on augmente la résistance du circuit, on peut passer
brusquement à un second régirne : le point brillant de l’électrode (i) Astf’ophysical Journal, t. XVII, p. 229; 1903.
(2) Astrophysical Journal, t. XX, p. 21 ; 190!k.
944
positive disparait, et la flamme positive est considérablement
réduite, surtout dans la portion visible du spectre. Les raies d’é- tincelle au pôle positif ont complètement disparu, et cela dans tout
le spectre. Cette transformation de l’arc est absolument brusque,
sans aucune décroissance progressive des raies d’étincelle au posi-
tif. La partie négative ne subit aucun changement, et les raies
d’étincelle subsistent sur le point brillant de cette électrode. En même temps, le gaz ambiant, qui dans le régime précédent, ne jouait aucun rôle, intervient; le spectre de l’azote apparait au
moment où se fait le changement de régime. Les différents groupes de bandes se montrent de manières diverses. Le groupe violet et
ultra-violet, connu sous le nom de second groupe de bandes, n’est
émis que par une très petite tache de l’électrode positive, qui a rem- placé le point brillant donnant les raies d’étincelle du fer : l’intensité de cette émission est considérable, mais elle est limitée à une éten-
due extrêmement faible ; l’épaisseur de la couche qui émet ces
>bandes n’atteint pas un dixième de millimètre, et son diamètre est
de l’ordre du millimètre.
Le groupe de l’extrême ultra-violet, connu sous le nom de troi- sième groupe positif, et attribué non pas à l’azote, mais à un com- posé oxygéné, apparaît d’une manière toute différente : les raies semblent partir du pôle positif, mais s’étendent sur toute la lon- gueur de l’arc, en formant des sortes de gerbes qui s’épanouissent lorsqu’on s’éloigne du positif.
Quant au groupe orangé (premier groupe), nous ne l’avons pas aperçu, peut-être à cause du trop grand éclat que possède dans cette région le spectre continu émis par l’électrode.
Nous n’avons pas constaté la présence des bandes dites du pôle négatif.
On trouve aussi dans l’arc au second régime les bandes de la vapeur d’eau, en particulier la bande la plus intense qui commence
à 3062 et se continue vers les longueurs d’onde croissantes. Elles sont émises surtout par le pôle positif, mais avec un très léger pro-
longement dans le reste de l’arc.
Enfin, on trouve, mais peu intense, le spectre du cyanogène (bandes
voisines de 3880) ; ce spectre s’étend sur toute la longueur de l’arc.
Tous ces spectres de gaz disparaissent lorsqu’on passe au pre- mier régime, en même temps qu’apparaissent les raies d’étincelle du
fer au positif.
,, !
’
945 Les photographies reproduites fg. 3 montrent la variation d’as- pect de l’arc lorsqu’on passe du premier au second régime. Les
deux images de la ligne inférieure (E et F) se rapportent au second régime, et sont obtenues respectivement avec les mêmes écrans que les photographies C et D, placées au-dessus, et qui se rapportent aupremier régime. On voit que, dans le second régime, la flamme positive a presque disparu, et que ce phénomène est plus marqué
sur l’image E obtenue avec les radiations violettes que sur F obtenue en lumière ultra-violette.
Le changement dans les propriétés spectroscopiques de l’arc lorsqu’on passe d’un régime à l’autre se voit sur les fig. 4, 5, 7 et 8.
Chacune d’elles contient deux spectres de la même région, relatifs
à l’un et à l’autre régime.
Les fis. 4 et 5 sont obtenues avec le spectroscope de quartz, la
première en fente fine (région 2400-2600), la seconde avec fente large (région 2350-2500). Tandis que sur les /ïg. 4 A et 5 A, rela-
tives au premier régime, les raies d’étincelle, réduites à des points,
existent aux deux pôles, on ne les trouve plus qu’au négatif sur les
/~. 4 B et 5 B, en second régime. D’autre part, sur celle-ci, et c’est particulièrement visible sur 5 B, les bandes du troisième groupe de l’azote sont présentes, sous forme de flammes partant du pôle posi-
tif. Cet aspect est bien net dans les régions 2350 et 2430.
Les fig. 7 et 8 ont été obtenues au moyen du spectroscope à réseau,
avec fente large. La ~g. 7 est relative à la région 2900-3050 ; la fig. 8,
à la région 3250-3400. Les fg. 7 A et 8 A ont été obtenues avec
le premier régime, 7 B et 8 B avec le second. Comme sur les fi-
gures précédentes, on remarquera la disparition des raies d’étin- celle au pôle positif lorsqu’on passe au second régime. De plus,
sur la fig. 8 B, la bande du second groupe de l’azote dont la tête est à 337~. apparaît au pôle positif. Elle n’est émise que par une surface de très faible étendue, mais son intensité est de même
ordre que celle des raies les plus fortes du fer au pôle négatif ; au positif, ces raies de l’azote forment à elles seules presque toute l’émission dans cette région du spectre. La fig. il C montre le
même spectre, obtenu en fente fine. Sur les ~g. 8 B et Il C on aperçoit, à 3360, le commencement d’une bande du cyanogène.
Sur toutes les figures donnant des images monochromatiques de l’arc, on remarquera les formes extrêmement variées que pré-
sentent les flammes correspondant aux diverses raies.
946
Les deux régimes au point de vue électrique.
-Ce qui précède
montre les différences spectroscopiques des deux régimes. On va
voir en quoi ils se distinguent au point de vue électrique et com-
ment on passe de l’un à l’autre.
D’une manière générale, le premier régime est stable pour les
grandes intensités de courant, le second pour les faibles intensités.
On passe de l’un à l’autre en faisant varier la résistance du circuit.
Le passage, toujours brusque, d’un des régimes à l’autre, n’a pas lieu pour une valeur unique de l’intensité ; il y a un intervalle où, pour une même intensité et une même longueur d’arc, on peut avoir
l’un ou l’autre régime.
Les deux régimes présentent une différence très nette au point de
vue électrique : pour une même intensité de courant et une même
longueur d’arc, la différence de potentiel entre les électrodes est notablement plus élevée dans le second régime que dans le premier.
Pour chaque longueur d’arc, on peut tracer une courbe qui donne la
différence de potentiel entre les électrodes en fonction de l’intens ité du courant, et cela pour chacun des deux régimes. Nous avons fait
un grand nombre de mesures de ce genre. Le tableau suivant en donne un exemple, se rapportant à une longueur d’arc de 10 milli-
mètres. Les tiges de fer, placées verticalement, avaient 7 millimètres de diamètre, l’électrode inférieure étant la positive.
La fis. 1.4 A donne des exemples des courbes qui lient la différence de potentiel à l’intensité du courant. Elles se rapportent à des lon- gueurs d’arc de 4 et 20 millimètres. Les courbes qui correspondent
à une même longueur d’arc pour les deux régimes semblent consti- tuées par deux portions d’une même courbe, écartées en ordonnée s
d’une douzaine de volts. D’ailleurs, elles ont l’allure générale de
947 celles qui ont été établies par M-1 Ayrton pour l’arc entre charbons.
Pour obtenir commodément le second régime, il faut pouvoir
maintenir l’arc avec des intensités faibles et une longueur notable.
Cela est d’autant plus facile que la tension de la source dont on
dispose est plus élevée. Les expériences qui ont servi à établir les
courbes précédentes ont été faites en utilisant la distribution à 220 et 440 volts.
Cas des autres métaux. - Nous avons étudié quelques autres
métaux ; les résultats sont moins nets qu’avec le fer.
L’arc entre électrodes de cuivre donne les raies d’étincelle aux
deux pôles; il est beaucoup moins fixe que dans le cas du fer; ses
extrémités sur les tiges de cuivre sont constamment en mouvement,
et le voltmètre relié aux électrodes oscille continuellement de
quelques volts. On peut se demander s’il n’y a pas passage, à inter- valles rapprochés, d’un régime à l’autre. Les bandes du troisième groupe de l’azote sont toujours présentes avec une grande intensité,
comme le montre la fig. 9. Quant au second groupe, nous l’avons trouvé le plus souvent, mais avec des intensités très variables d’une
expérience à une autre. D’une façon générale, l’éclat de ces bandes décroît quand le courant augmente, mais sans disparaître brusque-
ment, comme dans le cas du fer.
L’arc entre tiges de nickel nous a donné seulement les phéno-
mènes correspondant au premier régime : les raies d’étincelle existent aux deux électrodes, et le second groupe de bandes de l’azote est toujours absent. Toutefois le troisième groupe de l’azote existe lorsque l’intensité du courant est faible.
L’arc entre tiges de charbon donne aussi le troisième groupe de bandes de l’azote.
_
III.
-ARC DANS LE ~’IDE.
Pour certains métaux, la production de l’arc sous basse pression présente des difficultés : il arrive souvent que l’arc n’est pas stable,
il peut s’éteindre dès qu’on sépare les tiges métalliques, ou jaillir en
d’autres points que les extrémités des électrodes. On arrive à un
régime bien stable, à la condition qu’une goutte d’oxyde existe sur
l’électrode négative.
,948
Rôle de l’oxyde.
-Prenons comme exemple le cas du fer. Pour
avoir un arc stable sous pression réduite, nous l’allumons dans l’air
atmosphérique ; les extrémités des électrodes fondent et s’oxydent.
Ayant éteint l’arc, on fait le vide. On peut alors le rallumer, il sub-
siste d’une manière stable.
C’est bien la présence de l’oxyde qui est nécessaire à la stabilité, ’
et cela à l’électrode négative seulement, comme le montrent les expériences suivantes : si l’on prend des tiges de fer neuves et bien nettoyées, il est impossible d’avoir l’arc stable sous pression ré- duite ; en séparant les électrodes après les avoir mises au contact,
on obtient une étincelle, mais l’arc ne s’allume pas. Il en est de même si l’anode est oxydée, la cathode étant propre. Mais l’arc devient stable si la cathode est oxydée, quel que soit l’état de l’anode.
Toutes les fois que, pour une cause quelconque, l’oxyde disparaît à
la cathode, l’arc cesse d’être stable. C’est ce qui arrive dans le cas
d’une atmosphère d’hydrogène. On sait depuis longtemps que la plu- part des arcs entre métaux ne se produisent pas d’une manière stable dans l’hydrogène, et ce fait a été attribué à diverses causes, en par-
ticulier à la bonne conductibilité de l’hydrogène, qui aurait pour effet de refroidir les électrodes. La réduction de l’oxyde joue sûrement un
rôle important dans ce phénomène, ainsi que le montre l’expérience
suivante : l’électrode négative ayant été oxydée par fonctionnement de l’arc dans l’air, on place les électrodes dans une atmosphère d’hy- drogène. On constate alors que l’arc s’allume et reste stable tant que l’oxyde subsiste ; au bout de très peu de temps l’oxyde est réduit, l’arc s’éteint et il est impossible de le rallumer. Après refroidisse- ment, la pression de l’atmosphère d’hydrogène a notablement dimi- nué, et la quantité d’hydrogène qui a disparu correspond sensible-
ment à celle qui était nécessaire pour réduire la quantité d’oxyde présente.
Avec le gaz d’éclairage, on a les mêmes phénomènes.
Dans une atmosphère d’azote, on a un arc aussi stable que dans l’air si le fer a été préalablement oxydé. Avec des tiges de fer neuves, l’arc
ne s’éteint pas comme dans l’hydrogène, mais il:t,n’a:pas la fixité que l’on obtient avec du fer oxydé : la racine négative de l’arc est cons-
tamment en mouvement sur l’électrode.
L’arc entre tiges de nickel ou de cuivre nous a donné des résultats
analogues.
L’arc entre tiges de charbon est stable dans tous les cas.
949 Ces faits sont d’accord avec la théorie électronique de l’arc, d’après laquelle la cathode est le siège d’une abondante émission
d’électrons, grâce à sa température élevée. Les métaux peu volatils,
tels que le fer, émettent peu d’électrons,et par suite sont impropres à
servir de cathode, tandis que les oxydes etle charbon peuvent émettre
un flux intense de charges négatives, ce qui explique leur efficacité.
Pour les métaux facilement volatils, la présence de l’oxyde n’est pas nécessaire. C’est ainsi que, dans la lampe Cooper Ilevvitt, le mercure
pur sert de cathode. On peut obtenir aussi un arc stable entre tiges
de zinc ou de magnésium, sous pression réduite ou dans l’hydrogène.
Dans ces différents cas, le rnétal pris comme cathode se volatilise
Q
