HAL Id: jpa-00233293
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Sur la constante diélectrique et la conductibilité des gaz
ionisés
Tb. V. Ionescu, C. Mihul
To cite this version:
SUR LA CONSTANTE
DIÉLECTRIQUE
ET LACONDUCTIBILITÉ
DES GAZIONISÉS
Par Tb. V. IONESCU et C. MIHUL.
Laboratoire de
Physique expérimentale
de l’Universilé deIassy.
Sommaire. 2014 Nous indiquons dans l’article ci-dessous les résultats auxquels nous son mes arrivés en
étudiant la variation de la capacité 0394 C et de la
conductance 1/03C1
d’un condensateur entre les armaturesduquel se trouvent des gaz ionisés.
a) Nous avons donné la théorie de la méthode expérimentale ainsi que la réalisation pratique. b) Entre les armatures du condensateur on a établi un champ électrique de haute fréquence : la
fréquence a varié entre 1,5 108 p : s (03BB = 2 m) et 7,5 106 p : s (03BB = 40 m).
On a constaté que les variations de 0394 C et
de 1/03C1
sont dues à deux catégories d’électrons :1. Les électrons libres pour lesquels
formules qu’on a vérifiées quantitativement.
2. Des électrons qui ont une fréquence propre de vibration égale
à 1/3
108 p : s.c) Nous avons étudié les variations de 0394 C
et 1/03C1
en appliquant à l’espace dans lequel se trouvent les électrons d’abord un champ électrique, puis un champ magnétique parallèle aux plaques ducondensa-teur et nous avons fait les observations suivantes :
1. Le champ électrique modifie fortement les variations
de 0394 C et 1/03C1
dues aux électrons libres. 2. Le champ magnétique sépare les effets des électrons libres de ceux des électrons à fréquencepropre.
Pour les électrons
libres 1/03C1
passe par un maximumpour 03C9 = eH/m,
tandis que pour les électrons à vibration propre le maximum a lieu pour 03C9 = e/m (H 2014 He) Ho étant une constante.d) On a expliqué la fréquence propre en admettant qu’il y a dans l’espace soumis aux expériences
des électrons attachés aux molécules d’oxygène et que ceux-ci ont un mouvement de précession dans le
champ magnétique H0 de la molécule. La fréquence de précession est égale à la fréquence propre trouvée dans le gaz ionisé.
e) On a mis en évidence l’influence de l’humidité sur la variation
de 1/03C1
pour les électrons à vibration propre.f) On a étudié les variations de 0394
C et 1/03C1
pour des pressions plus grandes que 10-3 mm Hg et on aP
constaté que pour des pressions plus grandes que 10-2 mm Hg apparaissent des fréquences propres pour tous les gaz étudiés.
Introd uction. - Pendant les années 4 929-1932 nous
avons réalisé une série
d’expériences
et de mesures surles gaz ionisés. Nous avons commencé par étudier leur constante
diélectrique
et leur conductibilité. IJarlasuite,
des résultats
imprévu;
nous ontobligés
àélargir
lechamp
de nos recherches et à soumettre les gaz à de nouvellesexpériences.
Quoique
les résultats de nosrecherches aient
déjà
faitl’objet
depublications (q),
ilnous a paru que le
problème
est encore d’actualité etqu’un exposé
d’ensemble de ce travail serait utile.Le
prohlème
apréoccupé
déjà
nombre dechercheurs,
(1) Contples ~93n. 191, p. 1 4~iG ; 1931, 192, p. ;~43 ; ~9~~, 194, p. i0 eL 1330, 193~,195, p. 1 005 ; 1933, 196, p. 682 ;
Annales Sc. de rUniv. de Jassy, il. 1. If 1931, p. 1~.
tant au
point
de vuethéorique
qu’au
point
de vueex-périmental.
La théorie a étédéveloppée
parEccles,
Salpeter,
Larmor et d’autres(1).
On a établi commerésultat de calcul que,
parmi
les diversesparticules
présentes
dans un gaz ionisé, cellesqui
affectent leplus
la constantediélectrique
et la conductibilité du milieu sont les électrons. Pour un milieu indéfini conte-nant par cm3 N électrons de masse ?7? et decharge e,
la constantediélectrique
pour lalongueur
d’onde X varie de(1) Cf. R. Les ondes
électriques
cozirtes. Ed. Presses Univ. de France. Paris.et sa conductibilité reste
égale
à zéro si les électrons nesubissent pas des chocs avec les molécules dans un
intervalle de
temps
trèsgrand
parrapport
à lapériode
Ta
duchamp
électromagnétique.
Si l’on tientcompte
des chocs des électrons contre les molécules et des
pertes
d’énergie qui
enrésultent,
on doit attribuer aumilieu uneconductibilité. Les théoriciens ont établi des relations entre 3,K et la conductibilité d’une
part
et d’autrepart
lesgrandeurs statistiques
caractérisant l’état d’un gaz dupoint
de vue de la théoriecinétique :
le libre parcours moyen et latempérature.
Le
premier
qui
a étudié cet effet des électrons est Van der Pol(1).
Plus tard M M. C. Gutton et J. Clé-ment(2)
puis
M. Il. Gutton seul(’1)
ont établi que la constan tediélectrique
d’uneatmosphère
de gaz ionisé devientplus petite
que l’unité pour de faibles ionisa-tions etqu’ensuite
elle devientplus
grande
que l’unité pour des ionisationsplus
fortes. Ils ont établi que la valeur de l’ionisation pourlaquelle
son effet sur laconstante
diélectrique
change
designe,
varie d’unefaçon
régulière
avec lalongueur
d’onde duchamp
élec-tromagnétique.
III. H. Gutton conclut que les gazioni-sés ontune
fréquence
propre de vibration,qui
dépend
de la densité des électrons. Plus tard M. C. Gutton(+)
dé-montra par de nouvellesexpériences
l’existence depériodes
des vibrations de gaz ionisés. Aux mêmes ré-sultatsexpérimentaux
ont abouti aussiAppleton
etChilds
(~).
Pourtant ces derniersphysiciens
sontoppo-sés à l’idée de l’existence de
périodes
propres des élec-trons. Par contre Tonks etLangmuir (6)
ont cherché àexpliquer
l’existence de ces vibrations comme étant des vibrations de l’ensemble des électrons du gaz parrapport
aux ionspositifs.
Entre
temps
est paru le travail deBergmann
etDü-ring
(’)
qui
trouvent que lacapacité
d’un condensateur contenant des électrons estplus petite qu’en
leurab-sence et constatent même un accord
numérique
entre les valeursexpérimentales
et les valeursprévues
par la théorie.Enfin Mlle
Szekely (s)
trouve que la constantedié-lectrique
n’est pas diminuée par l’ioniçalion du gaz,comme
l’exige
lathéorie,
maisqu’au
contraire elleaugmente.
Telles étaient nos connaissances
expérimentales
surles gaz ionisés soumis à l’action d’un
champ
électro-magnétique,
au moment où nous avonspublié
nospremiers
résultats. ,Les conclusions
qu’on
tire de ces études étant d’ungrand
intérêt pour la théorie de lapropagation
desondes
électroillagnét iques
courtes,
nous avonspensé
à(1) Phil. 191H, (6) 38, p. 352. (2) Hill, 6, p 13 ï. «1) de, 1930 ( 0) 13, p 62. (10) 14, p. 5; Corrzloes Renrlu.ç;, 1030, ’~90, p 844. ’ (e) l’hil. 1930, ( ï) 10. p. 969. (6) I-teo., IDi9, 33, p. l~:). (’) rlPr 1929, 1, p. 1 Oal.
() Ann. d’r 1929, 3, p. 11. llie SZEKELY a travaillé
avec de grandes longueurs d’onde, tandis que tous les autres
chercheurs ont travaillé avec de petites longueurs d’onde.
étudier l’Pffet des électrons dans un espace
dépourvu
du
champ électrique
constant,
étudequi
n’avait pas été faite avant nous. Pour cela nous envoyons un fais-ceauélectronique
entre les armatures clu condensateur de mesure,placé
dansl’espace compris
entre deux électrodes maintenues au mêmepotentiel.
Les électrons animés de la vitesse v restent entre les armatures ducondensateur
longues de p
cm. letemps
Tv
qui
estv
-du même ordre de
grandeur
que lapériode
duchamp
électromagnétique.
Elle
sortant ducondensateur,
les électronsemportent
del’énergie
empruntée
auchamp
alternatif,
ilscommuniquent
au condensateur une1 conductance -.
P
Fig 1.
On
peut
calculer la variation de la constantediélec-trique
q 3K et laconductance-
de lafaçon
suivante. PSoit r la distance entre les armatures de
condensateur,
c leur
largeur
et Ia =ho
cos w t l’intensité duchamp
alternatifparallèle
à ’l’.L’électron
qui
se trouve entre les armatures ducon-densateur est soumis à l’accélération
de sorte
qu’il
acquiert
entre le moment de son entrée dans lecondensateur t.
et le moment actuel 0 la vitesse.Le courant
électrique
du aux électrons de l’élémentAI)
est Ai == Il’,-
p
t
Puisque
.1p
-î
.1 lx
le courantélectrique
à travers le condensateurest,
au moment 0courant total a une
eomposante if
enphase
avec h et uno autre1,y
en avance dephase
Leurs
amplitudes
sontet
Le condensateur se
comporte
comme l’ensemble d’unecapacité
C’ et d’uneréi8tance p
mises enparallèle.
La.
présence
dans le condensateur des électrons devitesse v modifie donc la constante
diélectrique
du mi-lieu de laquantité
et lui
communique
lacoiiductibilité(’1)
A l’aide de ces formules nous avons calculé les
quanti-AK cr
et
72
pour différenteslongueurs
d’ondescom-, /,
p
prises
entre1,80
et 25 m, un condensateurlong
de8 cm et un
potentiel
accélérateur de 400 volts. Cesconditions sont celles de la
majeure partie
de nosexpé-riences.
Les valeurs ainsi obtenues sont
représentées
par les courbes enpointillé
de lafigure
8.Méthode de trava!! 2013 Le condensateur de mesures,
constitué par deux feuilles d’étain collées en face l’une de
l’autre sur le tube
d’ionisation,
est mis enparallèle
avec un condensateurà lamediélectrique
mobile. L’ensemble constitue lacapacité
du résonateur dont le courant est mesuré à l’aide d’uncouple thermoélectrique
et d’ungalvanomètre.
Un oscillateur àlampes
triodes induit dans le résonateur un courant de hautefréquence.
Soit e û A sin c71 la force électromotrice induite dans le circuit résonnant. A l’aide du condensateur variable(condensateur
à lamemobile)
on établit la résonance entre les deux circuits. La déviation maximum dugal-4 vanomètre donne le courant de résonance
lM
etla
capacité
du résonateur satisfait à la relation2013-.
Puis on envoie les électrons dans leLw2
*
tubc entre les armatures du condensateur. Ceux-ci font varier la constante
diélectrique
du milieu et le rendent conducteur. On rétablit l’accord à l’aide du (1) Ces formules ont été aussi obtenues par une aulre méthode de calcul par S. BENNER, qui les a publiées avant nous. VoirAnn. der PhYS1k., 1929, 1, p. 1 0!~t.
condensateur variable. Celui-ci étant étalonné on lit la
variation de sa
capacité à
C’or,s. La
déviation dugal-vanomètre donne la valeur du courant de résonance
lm-Les relations
qui
existent entreIm,
àCobs.
peu-vent être établies comme suit. Le circuit résonateur
en
présence
des électrons eatreprésenté
par lafigure
2.Fig, 2.
L’amplitude
du courantqui
y circule est donnée parl’expression
Si on tient
compte
de ce que -°
sont de l’or-dre de 10-5 et si on conserve seulement les infinimentpetits
dupremier
ordre,
on obtient pour lacapacité
derésonance
l’expression
et pour le courant de résonance :
On
peut
simplifier
aisément cetteexpression
si l’ontient
compte
du fait que dans la fraction sous le radical le terme le
plus grand
est £.
On fait la division - wen ne conservant que des infiniment
petits
dupremier
ordre. On a ainsiEn
comparant
lesexpressions
de1>j et Im,
on aEn
posant
’2.L
= o et en tenantcompte
de ce que les E> Ldéviations 4 du
galvanomètre
sontproportionnelles
aux carrés du courant on aLa résistance p mise en
parallèle
sur notre conden-sateur fait varier lalongueur
d’onde du résonateur et pour compenser cette variation il fautaugmenter
lacapacité
du résonateur de laquantité
Corn lne, el’autre
parI,
le, électronschangent
lacapa-cité du ell
ais-ant
directement sur !a constancediélei Uïque
d’e laquantilé
Ll 6’=== C ~Il’,
pour ramener larésonance,
il faut que lacapacité
variable soit
augmentée
ticDonc
On obtient les valeurs
due -
et de àC,
endétermi-P
nant les 0
Cobs,
lesrapports
des déviationsgalvanomé-triques
obtenues sans électrons entre les armaturesdu
condensateur,
aux déviations enprésence
desélec-trons, ainsi que la
capacité CM,
lalongueur
d’onde Xet le
facteur 2a,
Pour effectuer ces mesuresnous avons
disposé
desappareils
suivants :Appareils. -
Le tube dont nous nous sommesservis est
représenté
sur lafigure
3.Fig. 3.
Le filament en
tungstène
( f )
de0,~
mm diamètre était chauffé à l’aide de la batterie d’accumulateurslit
(6
volts,
60Ah).
Lagrille
(g)
située à 4 mm du fila-ment avait unpotentiel compris
entre 100 et 250 volts. Cette tension de lagrille
ainsi que lechauffage
du filamentpermettaient
derégler
l’intensité du courantélectronique.
L’anneau(a)
à 7 cm du filamentpermet-tait d’accélérer les électrons transmis par la
grille.
Son
potentiel
était maintenu par la batterieBa
ou parune
dynamo qui pouvait
donner des tensions entre400
et 2
volts. A 1() cm de l’anneau se trouve laplaque
(l’~,
dont lepotentiel
pendant
cespremières
mesures était maintenu
égal
à celui de l’anneau. Sur laporlion
libre du tubecomprise
entre l’anneau et laplaque
sont collées deux feuilles d’étain. Elles constituent les armatures du condensateur cle mesureC. La densité des électrons entre ses armatures est contrôlée à l’aide du
niilliampèremètre
11lA28
Le condensateur C mis enparallèle
sur le condensateur variable C’ forme lacapacité
du circuit résonateur. Sa self est constituée par un cadrelarge
de11,5
cmdont la
longueur
peut
être modifiée à l’aide des barres de cuivreimerchangeables b b’ (fig. i).
Fig. 4.
Le cadre est pourvu d’une thermosonclure S en
fer-constantan de
0,)
mm de diamètre reliée augalvano-mètre f.%.
Le condensateur variable C’ a des armatures en
lait,on a a’. Une lame de verre
guidée
à distance parune
règle
en boisglisse
entre lespièces
V~V’. Lesvariations de sa
capacité
ont été étalonnées aupréa-lable à l’aide d’un condensateur variable
cylindrique
C". Pour cela on a mis les condensateurs C’ et C" enparallèle
sur le condensateurCe
d’un oscillateur àlampes
(~=
500mètres) (fig. 5.)
L’osclillateur 0 et
l’hétérodyne
stabilisée auquartz
H étaient
couplés
sur le circuit d’entrée d’unamplifi-cateur à basse
fréquence précédé
d’unelampe
détec-trice D A. Onrègle
les battements à l’unisson avecle
diapason
D. On retire ensuite la lame en verred’une
longueur
donnée et on rétablit lafréquence
initiale de l’oscillateur à l’aide du condensateurcylin-drique.
Le condensateur C"
(fig. 5
enbas)
est constitué par lescylindres
Ce
etcri
dez7,8
et15,9
mm. diamètres.Le
cylindre
Cg
du même diamètre queC~
est mis encommunication
électrique
avecCi. L’arrangement
,Cil sont dues
iiniquement
auxdéplacements
de6’~
à l’intérieur du est actionné à distance à l’aide ,d’une vismicrométrique
qui permet
d’évaluer undéplacement
de~~,0~~~~
mm et donne par suite unevariation de
capacité
depar division.
Pour Ic
plus petlt
condensateur variableemployé,
cette variation de lacapacité
était obtenue endéplaçant
la lame en verre de R4 mm. Comme la variation de la
capacité
étaitproportionneHe
auxdéplacements
de lalame et que la série des
étalonnages
successifs don-nait des résultatsconcordants,
onpeut
être isûr demesurer par cette méthode de
petites
capacités à t 1,001
ou0,002
u. e. s.près.
Le courant alternatif était induit dans le, résonateur par un oscillateur à
lampes
triodes. Nous nous sommesservis
principalement
de deux modèles d’oscillateur. Pour deslongueurs
d’onde intérieures à 7 m lemon-tage
employé
était celui de Gutton etTouly ;
pour deslongueurs
d’ondesplus grandes,
celui deFig. 5.
Les variations de
longueur
d’onde étaient obtenues dans lepremier
cas endéplaçant
lepont
lelong
debarres liées à la
grille
et à laplaque,
dans le secondcas en
déplaçant
la lame en verre introduite entre les armatures du condensateur. Nous avonsemployé
deslampes
Métal des modèles et T M C.Enfin les
longueurs
d’onde étaient mesurées à l’aide d’unsystème
deLecher,
dont lalongueur
a été de i2 m, muni au bout d’une soudurethermoélectrique
reliée au
galvanomètre.
Mesures. - On met l’oscillateur sur une table à côté du
système
Lecher. De l’autre côté de l’oscillateurse trouve le résonateur avec le tube. Les connexions étant faites selon la
figure
3,
on amène le résonateur à la résonance et on note laposition
de la lame en verredu condensateur étalonné ainsi que la déviation maximum du
galvanomètre aM
sans chauffer le fila-ment. Puis on chauffe le filamentjusqu’à
avoir le courant deplaque
voulu,
on rétablit la résonance et.n note la nouvelle
position
de la lame et la déviation dugalvanomètre
Omo
On inesure ~1~ nouveau laposi-tion de la lanie et
£y
sans courantélectronique, puis
avec un courant
élecLrmuque
déférent de celui dupremier
car et ainsi tir- suite pour différentesinten-situés du courant de
plaque comprises
entre 0 et 2milliainpéres.
La valeur de
2Nf
ctant
prise
une dernièrefois,
onfait croître la
capacité
du résonateurjusqu’à
ce que ladéviation du
galvanomètre
soit a,
= On diminue ensuite lacapacité,
enpassant
par larésonance,
jusqu’à
ce
qu’on
obtienne la même déviationok’
On note lavariation à
C = Ci
-C2.
Si ondésigne
lespulsations
correspondantes
par ~1 et et si on tientcompte
dece que
on oblient aisément la relation
En faisant les substitutions
et les
approximations
on a le facteur
Après
cela on mesure A.la
position
de la lame de verre. On fait varier la lon-gueur d’onde de l’oscillateur de laquantité 3
Àqu’on
mesure à l’aide du
système
Lecher,
on amène de nou-veau le résonateur à la résonance et on note encore une fois laposition
de la lame.On trouve ainsi à A
qui
correspond
à la variation dela
capacité à
CLa relation
nous donne la valeur de
C,11.
Après
avoir effectué ces mesures, on calcule les1
valeurs
due -
et A C et on construit des courbes où ces pvaleurs sont
comptées
enordonnées,
les abscisses don-nant les valeurs du courant deplaque.
Par lespoints
résultants on trace des droites dont les
pentes
nous don-1nent les valeurs moyennes due 6. C
et 1
pour uncou-P rant de
plaque
de 1milliampère.
Résultats. - Avec deux tubes de mêmes
dimen-sions,
nous avons effectuéplusieurs
séries demesures-Les tubes ont été au
préalable
vidés à l’aide d’unepompe à diffusion à trois
étages
durant six heures. Pendant cetteopération,
ils étaient maintenus à 420°Get la canalisation était refroidie par
CO2
solide dans l’éther. Lepremier
tube ne contenait que de l’air à unepression (évaluée
à l’aide de l’intensité du courant des ionspositifs)
plus
petite
que li)-4 mmHg.
Le second tube a été lavéplusieurs
foispendant
l’évacua-tion avec del’hydrogène.
Les gaz résiduels étaient l’air etl’hydrogène.
Fig. 6. 1. Avec le
premier
tube nous avons effectué deux séries de mesures, en variant lalongueur
d’onde de l’oscillateur entre /, =1,80
et 20 m. Dans lapremière
série le
potentiel
accélérateur étaitégal
à 400 volts et dans la seconde à 1600 volts. Les résultats sont donnés dans lafigure
6.Les valeurs
expérimentales
sontexprimées
en uni-tésélectrostatiques.
Avec le tube lavé à
l’hydrogène
nous avons faitplusieurs
séries de mesures entre h = 2 m et A _ ~0 mle
potentiel
accélérateur étanttoujours
égal
à 4C0 volts.Les résultats de la
première
série ressemblent toutà fait à ceux donnés dans la
figure
6.Après
cesmesures, le filament
ayant
étésurchauffé,
il y a euémission de gaz occlus dans les
électrodes,
et lapression
du gaz dans le tabe aaugmenté.
Nous avonsalors refait !es mesures : ces résultats sont
représentés
par les courbes de lafigure
7.Nous avons constaté que les valeurs obtenues cette fois sont en moyenne deux fois
plus petites
que celles de lapremière
série.Après
avoirprovoqué
encore une fois la surchauffe dutube,
cequi
a fait monteraussi la
pression
du gaz, nous avons effectué encorequelques
mesures. Les résultats sontreprésentés
surh’ig. 7. 1
On voit que les valeurs de
ACet -
ont encore baissé. F2. En
regardant
cescourbes,
nous avons étéfrappés
par leur ressemblance avec les courbes de variationsde l’indice de réfraction 72 et de l’indice
d’absorption
x, d’un milieu
dispersif
ayant
des vibrations propresde
pulsations
wo. Il y apourtant quelques
discor-dances. Si elles sont
petites
sur lafigure
7 où la courbede A C coupe l’axe des abscisses pour À = 10 m et où la conductibilité passe par le maximum à î, =
9,50
msur la
figure
6 le désaccord estplus grand.
Outre le faitque à
C estégal
à zéro pour A _ 12 75 met 1
P est maximum pour X
== 9,50
m, on y voit d’unefaçon
nette se superposer un autrephénomène
vers lespetites longueurs
d’onde. Nous avons cherchél’expli-cation de nos
observations,
en admettant que nos mesuresreprésentent
la somme de deuxphénomènes :
l’effet d’électrons
ayant
unefréquence
propre (1)0 et l’effet des électrons libres.3. Nous avons admis que les
premiers
sont attachésaux molécules par des forces
quasi élastiques.
SoitP~wo
leur nombre par cm3. Ils oscillent autour de leurs
positions d’équilibre
sous l’influence duchamp
alter-natif de haute
fréquence
F =Eo
cos c~t =partie
réelle deEo
el - t. Le courantélectrique engendré
par cesélectrons est :
où h’ est la constante
diélectrique
imaginaire
du mi-lieu et R - la résistance de frottement de l’électronrapportée
à sa masse.Il s’ensuit que
et
Si Wm est la valeur de w pour
laquelle
AC passe purun
minimum,
on a1
De même la valeur maximum
de -
qui
a lieu pourp
u == wo nous donne
d’où on tire le nombre d’électrons liés.
En substituant les valeurs
numériques
ainsi cal-culées dans les formules(7),
nous avons tracé enfom-tion de A les courbes
représentant -
et à C. Comme Pnous l’avons
déjà
dit,
l’accord était assez bon pour lescourbes de la
figure
7. Il était moins bon pour les courbes de lafigure
6.4. Nous y avons vu l’effet des électrons libres. Pour
vérifier cette
hypothèse,
nous avons faitappel
aux for-mules(2),
dont les valeurs divisées par )...2représentent
1 .. , .
d. d
il () 1
1 f’ les variations
périodiques
et1
avec lafré-)B .. ’Z
quence du
champ
électrique.
Pour faire la
comparaison,
nous avons divisé les va...leurs
expérimentales
de ~
par )...2 et nous avons tracé Pla courbe
qui
en résulte sur lafigure
8.Les valeurs de
1
sontmarquées
par despetits
cer-
pÀ-cles. Dans la même
figure
nous avons tracé enFig. 8.
6.8x10~
9sec
qui
est bien letemps
deséjour
des électronsqui passent
entre les armatures du condensa-teur avec une vitesse v ~1,18
X 109corres-pondant
à 400 voltspotentiel
accélérateur. On voit surla
figure
que le maximum et le minimum de deuxcour-bes ne coincident pas. Par
contre,
si on attribue auxélectrons libres un
temps
deséjour
de1,13 X
sec(potentiel
accélérateur de 144volts),
on obtient la sinu-soïde en traitspleins
de la mêmefigure.
On voit quecette fois l’accord entre les
positions
des maxima et de minima des deux courbes est aussi bonqu’on
peut
le désirer. Donc les électrons libres dans notre tube ont unevitesse
correspondant
à voltsapproximativement.
5. Enanalysant
les courbes de lafigure
6,
dans le but d’établir la contribution de chacun des deux groupesd’électrons,
nous sommes arrivés à la conclu-sionqu’il
y a dans notretube,
parcm3, 1,52
;; 107 électrons liés et1,43 X
10’ électrons libres pour uncourant de
plaque
d’unmilliampère.
Pour lespre-miers,
la résonance a eu lieu à u mètres delongueur
d’onde et le minimum de 6.C à 6 m 50. On a donc
Wo -
2,09 X j og, Ú)m
===~, 9X
108 sec-’.Ceux de la seconde
catégorie
ont leur effet déter-miné par la durée de leurséjour
dans le condensa-teurcorrrespondant
à 144 volts dupotentiel
accé-lérateur. En substituant ces valeurs dans les for-et(7),
on obtient les effets desdeux catégories.
Ils sontreprésentés
dans lafigure
9 par les courbes enpointillé
pour les éfectrons libres etpar les
courbes entraits
pleins
etfins pour
les éleclrons liés. Leur sommeest donnée par les courbes en gras traits. En les
com-parant
avec celles de lafigure
h, on voit que cette foisest très bon. Cela, prouve que notre
analyse
est correcte et que les valeursnumériques
que nous en avons déduites sont exactes.Les formules
(-2)
peuvent
être vérifiées pour unepression plus
petite
que 10-" mmHg, puisqu’alors
lelibre parcours cles électrons est
plus grand
que la lon-gueur du Pour dispressions
plus
grandes,
peu d’électronspeuvent
traverser leconden-sateur sans subir des chocs avec les molécules du gaz.
Pour tenir un
compte
exact de l’effet des électrons libres à cespressions,
il faut donner à 7’lasignification
de l’intervalle detemps
entre deux chocs successifs d’un électrons avec les molécules. Cetemps
décroîtquand
lapression augmente,
et le facteur ( T dans le 1:domaine de nos mesures devient
plus petit
Celasignifie
que les variationspériodiques
de n’ont
plus
e
lieu pour X
compris
entre1,8
et ~0 m, mais pour deslongueurs
d’ondeplus
petites ;
et enpremière
approxi-mation le facteur X-
( ï
- cos w7’>
-_
devientégal
à 2 9 c2 T. De cettefaçon,
ne varie que très peu avecla
longueur d’onde,
mais varie avec lapression.
Donc,
cequi
est àprévoir
estqu’au
fur et à mesure quela
pression
croît l’effet des électrons libres diminue et que les variationspériodiques
de -
faciles à mesurer,o
s’écartent de notre
champ
d’observation. Eneffet,
de deux courbes obtenues avec le tube àH~,
c’est seule-meut sur lapremière
courbeprise
à uoepression
plus
petile
que 10~mm Hg
qu’on
voit l’effet des électrons libres bienmarqué.
Pour fixer les
idées,
nous allons résumer nos conclu-sions : Dans les tubes contenant du gaz ionisé à despressions
comprises
entre 10-3mm Hg
et t0-e mmHg,
en l’absence d’unchamp électrique
constant,
il y ades électrons libres et cles électrons
liés, ayant
comme,> i ,
période
propre de vibration v=. 2013
L’effet ~7t 3des électrons libres sur 3f§
et -
est donné par les Pformules
(2).
Nosexpériences
ont vérifié ces formulesd’une
façon quantitative.
L’effet des électrons liés est donné par les formules
(7)
vérifiées encore par nosexpériences.
Les densités des électrons de deux
catégories
sont du même ordre degrandeur.
Elles sont toutes les deux environ 17 foisplus grandes
que la densité calculée àpartir
de l’intensité du courantélectronique,
dupoten-tiel accélérateur et de la section du
tube, à
savoir 8.5 XDans le but de mettre en évidence par d’autres
moyens l’effet des électrons de
chaque catégorie
et de les étudier deplus près,
nous avonsentrepris
d’autresmesures. e
Influence du
potentiel
accélérateur. - Tout 1 d’abord nous avons fait une série de mesures de Cet
-r
qui
devaient nousrenseigner
avecplus
deprécision
sur l’effet du
potentiel
accélérateur. Nous avoiis effec-tué ces mesures en lui donnant des valeurscornprises
entre 400 et ~ î~0 volts. Pour ces
valeurs,
la vitesse des électronsprimaires
a varié de 1 à2,
6;
leurtemps
deséjour
entre les armatures du condpnsateur a varié dans le mêmerapport;
cequi
devait faire varier les1
à C
et
si ceux-ci avaient été dùs à l’effet direct des Pélectrons
primaires
ou si ces électrons avaient exercéune influence
appréciable
sur le nombre et les condi-tions de vibration des électrons des autrescatégories
présents
dans notre tube. Or, les résultats de nosme-sures faites
pour A
= 3?() cm.représentés
en fonction de l’intensité du courant deplaque,
serangent
pourtoutes les valeurs du
potentiel
accélérateur sur desdroites
parallèles
entreelles,
cequ’on
voit sur lafigure
to.Les conclusions que nous en avons tirées sont que
l’apport
des électronsprimaires
dans les valeursdue -
et P3 C est
négligeable
et que ces électrons n’ont unein-fluence
appréciable
ni sur lafréquence
propre des électrons liés. ni sur la vitesse des électrons libres àpetite
vitesse(144 volts).
Ledernier
point
sera mieuxdémontré par les
expériences
décrites dans lepara-graphe
suivant.Fig. à0.
Expériences
faites avecl’espace
anneauplaque
soumis à unchamp
électrique. -
Nousavons étudié ensuite l’i1diut’Ilce d’un
champ électrique
constant
parallèle
auxplaques
du condensateur. Pour cela nous avons exécuté deux séries de mesure ensou-mettant
l’espace anneau-plaque
à des différences depoteiitiel 3 V
variables,
tout en maintenant constants lechauffage
dufilament,
lepotentiel
de lagrille
et celui de l’anneau.a) Caractéristiques
du tube. - Dans cesconditions,
nous avons mesuré d’abord les intensités des courants deplaque
Ip
et celui de l’anneaula’
Les résultats de ces mesures pour despotentiels
de l’anneauégaux
à 400, 1600 et 2800 sontreprésentés
par les courbes(A) (B)
et(C)
de lafigure
11.Ces courbes ont été relevées dans des conditions de
chauffage
telles que l’intensité du courantIp
pour 0(courant
initial)
étuitégale
à 1.15 m. A. pourles courbes
(A),
à 1 m. A. et à 2 m. A. pour les courbes(B)
et à 1 m. A. pour les courbes(C).
On a fait varierà V de -:300 à
+
300 volts pour(A) et
de - 600 à+
600 pour(B)
et(C).
Fig. 1 i . restent
petits.
Pour 1 Vnégatif
ces variationsrapides
cessentbrusquement
pour des valeurs de Ll V biendé-finies ;
pour les courbes(A)
à 3 V == - i 40 volts et pourles courbes
(B)
et(C)
à 3 V = - 150 volts. Pour cesva-leurs les courants
1 p
ontdéjà
des valeursnégatives
et continuent à rester tels pour des valeursplus
grandes
de - 3Vn’ayant
dans le domaine de nosmesures que de faibles variations continues. Pour à V
positif
les courantsla
et7
tendentasymptotique-ment vers des valeurs limites.
Quand
onaugmente
lechauffage
du filament defaçon
queIp
initial soit 2 m A toutes les valeurs del p
etla
sont à peuprès
deux foisplus grandes :
lechangement
de
pente
s’observe cette fois pour à v un peuplus
grand
que pour les courbes obtenues pour
Ia
initial ‘ 1 m A. Dans tous les cas la sommeIa
-~-
lp
reste constantequand
on fait varier 0 V.On
peut
interpréter
ces résultats de lafaçon
suivante.Les électrons émis par le filament sont accélérés par
l’anneau et
pénètrent
entre l’anneau et laplaque
où ils ionisent le gaz.Entre l’anneau et la
plaque
on a :1)
Des électrons dont la vitesse estégale
à celle don-née par lepotentiel
accélérateur ;
2)
Des ionspositifs ;
3)
Des électronsqui
ont unepetite
vitesse ;
ils sont en trèsgrand
nombre; de plus,
ils se meuvent dans toutes les directions.4)
Des électrons attachés aux molécules.Quand
onapplique
entre l’anneau et laplaque
unedifférence de
potentiel
AV,
celle-ciagit
sur lesélec-trons libres en les
dirigeant
dans lechamp.
Cet effet croît avec l’intensité duchamp jusqu’à à
V‘ 150 volts.Ce
potentiel
est suffisant pourdiriger
tous les électronsde notre
tube,
donc mesure leur vitesse. Comme on le voit sur lescourbes,
cepotentiel
est le même pour toutes les valeurs dupotentiel
accélérateur. Parconséquent,
la vitesse des électronsprimaires
n’a pasd’influence
surla vitesse des électrons libres à
petite
vitesse. Pour à V-1 ~0
volts,
le courant deplaque
reste constant sauf pour les courbes(A)
où sa diminutionpeut
êtreexpliquée
par l’influencetrop
grande
de à V sur la vitesse des électronsprimaires.
Pour à V>
100volts,
les électronsqui
se trouvent entre le filament et l’anneaupénètrent
entre l’anneau et laplaque
et sontcaptés
par celle-ci. Ilsaugmentent
le courantIp
d’unequantité
donnée par les différences des ordonnées des courbes en traitspleins
et enpoin-tillé.
b
Mesures
de t1Cet, 1
- Nous avonscomplété
cesP
1
mesures par p les mesures de 3C
et
dans lescondi-i’
tions telles
qu’elles
sont données par les courbes(B)
dela
figure
Il en faisant varier 3 V de - 4~0 à+
420volts. Les courbes de la
figure
R ~ nous donnent lesrésultats de ces mesures pour
quatre
longueurs
d’onde différentes. Deux d’entre
elles,
serapportant
à j, J
7,18
m et X= 10,07
m sont choisies dema-nière
qu’on
soitprès
des maxima de - !1Cet ~
des P électrons liés. Onpeut
interpréter
ces résultats ensupposant
que lechamp
électrique
modifie la vitessedes électrons libres sans modifier
appréciablement
le nombre des électrons liés.
Essayons
à l’aide de cettehypothèse d’expliquer
la forme des courbes deFig. 12. ,
une différence de
potentiel à V.
Alors les électronsqui
vont en sens contraire duchamp
électrique
auront leur vitesse accrue, devenant 144volts ;
les électronsqui
vont dans le sens duchamp
auront leur vitesse diminuée devenant l~j~ - ~ v volts.Quand A F =144 volts,
leur vitesse s’annule et tousles électrons
prennent
un mouvement vers l’électrodepositive.
L’effet de ces variations de vitesse sur àC et- 1
peut
être suivi sur les courbes de lafigure
13,
p
qui représentent
pourquelques
valeurs dutemps
de
séjour
entre lesplaques
ducondensateur,
les valeurset -
en fonclion de ï. pour le mêmep
nombre d’électrons par em3. On
peut partager
chacune de ces courbes en deuxrégions :
unpalier
du côté desgrands K
et larégion
des variationspériodiques
ducôté des
petits
A. A mesure que la vitesseélectronique
croît,
letemps
deséjour
diminue,
la hauteur dupalier
diminue aussi et la
région
des variationspériodiques
est reculée vers lespetits
~.F.g.13.
On
peut
suivre facilement les variations(le
et AC, ,
,P
représentées
sur les courbes de lafigure
12 à l’aide dela
figure 13,
enajoutant
l’effet de la moitié desélec-trons
pris
sur les courbesqui correspondent
à V-1£4 - 3 V,
à l’effet de l’autre moitiépris
sur les courbesqui
correspondent
à V = 144On
peut
aussi montrer que le nombre des électronsattachés aux molécules ne varie pas
beaucoup
avecAV.
Entre l’anneau et la
plaque,
établissons unediffé-rence de
potentiel
constanteégale
à 420 volts. Une par-tie des électrons libres a maintenan t unevitessecorres-pondant à
564 volts et l’autre à 2"76 V. Enajoutant
les effets de ces deuxcatégories
d’électrons,
on observeque l’effet total ne
présente
pas degrandes
variationsavec j, enture 3 et 20 m. comme c’est le cas pour les élec-trons à 1 It It volts.
véi-ité,
si onreprésente
el,(ollc/ion
de ), les ual eurs
qu’on
meszcre szcc° les courbes(fi_q,
12)
pour r~ v = ~ ~0
volt,c,
on voit que ACet ~
suiveut deprès
les courbesqui
dUlll/ent 1effet
des électrons liés seuls(fig. 9).
Mesures dans le
champ
magnétique. -
Pour eifectuer ces mesures, nous avons inti-oduit lapartie
du tubecomprise
entre l’anneau et laplaque
dans une bo-bine coaxiale avec le tube. La bobine était construite de tellefaçon
qu’un
courant d’unampère produisait
à l’intérieur unchamp
de 100 gauss. On faisait passer entre l’anneau et laplaque
un courantélectronique
d’intensitévoulue,
on mettait l’oscillateur en marche1
et on mesurait les àC’ et
.
Puis onlançaif
un courant Pdans la bobine et on effectuait les mesures de Cet
- pour
diverses intensités duchamp
magnétique,
tout P,
en maintenant le même courant
électronique.
Nousavons effectué ainsi une série de mesures pour des i,
compris
entre 2m,3~
et 19 mètres. Les résultats de ces mesures sontdonnées,
pourquelques X,
par les
courbes de lafigure
14.Fig, 14.
Les courbes
Areprésententen
fonction duchamp
//la conductibilité 6 due aux deux sortesd’électrons ;
leslignes
enpointillé séparent
l’effet des électrons libres de celui des électrons attachés aux molécules. L’effet des électrons attachés estreprésenté séparément
par les courbes B.Les courbes A nous montrent que les électronc lihres
t f’ d , P 1/
ont une
fréquence
propre de vibrations : u =il
21 ~~d’
comme l’a
itéji
montré S. Benner(1).
Les électrons attachés aux molécules entrent en
ré-sonance avec l’onde extérieure pour des
champs H’ p1us
petits
que H, Pour desfréquences qui correspondent à
des
longueurs
d’ondeplus
grandes que 4
m, ladiffé-rence H-1l’ =
Il.,
est constante etapproximativement
égale
a10,59
gauss. Pour desfréquences plus grandes,
la différenceH-H’ croît(2).
Ces résultatspeuvent
êtreFig. 15.
interprétés
en-admettant
que les électrons attachés setrouvent dans un
champ magnétique,
moléculaire de10,59
gauss. Dans cechamp,
les électrons ont desmou-vements de
précession
avec la vitesseangulaire
qui
correspond
assez bien à lafréquence
propre du gaz ionisé sanschamp
magnétique
extérieur. Ladiffé-rence
qu’on
a observée entre ces deux valeurs est sansdoute due à la
petite
précision
aveclaquelle
onpeut
déterminer la valeur du
champ
de résonance.Lors-qu’on
applique
unchamp
extérieur H’ laprécession
alieu dans le
champ
résultant H =Ho --~-
H’ et l’onobtient la résonance du gaz pour une
longueur
d’ondeplus
petite
que 9 m.A l’aide de la relation
où l’on a
posé
nous avons calculée =
f (8).
Les courbes calculées coïncident bien avec celles données par
l’expérience.
(’) S. RENNER, Uer die Eigenschwingungen freier Electronen in Pinem kons I anten
i4ia gnetenfeld
(Tliese, Stock holm, 26 mai i 934), (2) Cette différence est représentée par la courbe de la1
Variations de à C
et
avec lapression
et la pnature du gaz. - Les
expériences
décritesjusqu’ici
avaient été faites avec deux tubes scellés à lalampe,
ce
qui
nous avaitempêché
d’étudiersystématiquement
la variation de à C
et -
en fonction de lapression.
P
Nous avons alors
repris
les mesures dans lechamp
magnétique,
après
avoir ouvert le tube. Nous avonsopéré
avec différents gaz :l’air,
l’hydrogène
etl’azote,
en faisant varier la
pression
et lalongueur
d’onde. Tout d’abord nous avons trouvé que laprésence
des électrons liés nepeut
être constatée que si l’air est bien sec et lapression
du gaz estplus petite
qne 10-3 mmHg.
Lephénomène apparait
si le tube a été chauffépréalablement,
courbesA, B, C
(fig. 15),
ousi on a au
préalable
laissé l’intérieur du tube sedessécher
pendant quelques
semaines sur du courbesD,
B, F(fig. 17).
Quant
à la nature des centres deliaisons,
nosexpériences
avecl’air,
l’azote etl’hy-drogène,
nous font supposer que ce sont les moléculesd’oxygène qui
s’attachent les électrons. Cettehypo-thèse est encore
appuyée
par les raisons suivantes :i. Parmi ces gaz c’est la molécule
d’oxygène qui a
une
grantle
;tifliii[é pour les électrons.1. En
présence
des traces de vapeur la mobi-lité des ionsnégatifs d’oxygène
est réduite. Lafixa-tion de l’eau
empêche
les wb°ixlonfi des électrons ou, tout aumoins,
change beaucoup
leurpériode.
Ceci nousmontre
pourquoi
lephénomène
n’apparalt
qu’à
lacon-dition de dessécher
longtemps
le tube sur du P2O~;,
ou, encoremieux,
de le chauffer à une fortetempéra-ture.
3. C’est
l’oxygène
qui,
parmi
ces gaz, estparamagné-tirlue.
Donc c’est dans la molécule de ce gaz quel’électron tournant
peut
trouver unchamp
magné-tique
pour y exécuter le mouvement deprécession
déterminant la vibration propre.
Aux
pressions
plus grandes
que90-3,
les mesuresavec le tube
rempli
d’air sont difficiles et dans les mêmes conditionsd’expérience
semble-t-il,
on obtientdes valeurs
qui
ne sereproduisent
pasidentiques.
Parcontre,
sur un tube contenant del’hydrogène
ou del’azote,
même récemmentrempli,
les mesures sontfaciles à exécuter et on obtient des valeurs
qu’on
retrouve, si on rétablit les mêmes conditionsd’expé-riences. Ces résultats sont donnés dans la
figure
15 où les courbesa, 6,
c,d, e,
f,
représentent
les variationsde la conductibilité avec le
champ magnétique.
On y voit que, pour lespetites pressions,
dans lapartie
de la courbequi
doit montrer la résonance des électronsliés,
les courbes sontdépourvues
de c~esvariations,
cequi
prouve que dans lc tube iln’y
a pas d’électronsliés de la
catégorie
décrite dans lapremière partie.
Pour des
pressions supérieures
à0,01
mmHg l’aspect
des courbes
change.
Leurs ordonnées àl’origine
mon-trent
qu’en
l’absence duchamp
(H =
0)
laconductibi-Fiâ. 17.
lité du gaz croit avec la
pression.
Engénéral,
cesvaleurs notables de la conductibilité varient peu
jus-qu’à
l’approche
de la résonance des électrons libres.Cependant
surquelques
courbes on observel’exis-tence d’autres maxima. C’est ce
qu’on
voit sur les courbes b(7
X 102013~ mmIIg)
et sur la courbe d(4
X 10- ~ mmHg).
Quoique
nousayions
renoncé à donner de même les courbesreprésentant
lacapacité,
qui
sont peuprécises
dans ces cas, nous en donnons unexemple
en Il dans lafigure
16. Ces courbes ont étéobtenues dans les mêmes conditions que les
courbes b,
10-2 et 7 X 10-2 mm
Hg).
On voit sur la secondede ces
courbes,
à côté de la variation due à laréso-nance des électrons libres la variation
correspondant
au maximum secondaire de la courbe b. Tout se passe comme s’il y avait d’aiitres vibrations que celles dues aux électrons libres.
Jusqu’à présent,
on nepeut
pré-ciser
l’origine
de ces vibrations. Probablement elles sont dues aux électrons attachés aux molécules(’).
Les forces des liaisons sontprobablement
trèspetites,
parcequ’il
faut avoir despressions
relativementgrandes,
poor que ces vibrationsapparaissent.
Auxgrandes
pressions,
laprobabilité
d’attachement aug-mente avec le nombre des chocs entre les électrons et les molécules. En mêmetemps,
lapetite
vitesse des électrons auxgrandes
pressions
favorise lesattache-111ents. *
(1) T. Y. Io:vEscu et Irène Compte..; Rendus, 193J, t.196, p. 1 292 et 1813.