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Sur la constante diélectrique et la conductibilité des gaz ionisés

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(1)

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Sur la constante diélectrique et la conductibilité des gaz

ionisés

Tb. V. Ionescu, C. Mihul

To cite this version:

(2)

SUR LA CONSTANTE

DIÉLECTRIQUE

ET LA

CONDUCTIBILITÉ

DES GAZ

IONISÉS

Par Tb. V. IONESCU et C. MIHUL.

Laboratoire de

Physique expérimentale

de l’Universilé de

Iassy.

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 armatures

duquel 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 du

condensa-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 fréquence

propre.

Pour les électrons

libres 1/03C1

passe par un maximum

pour 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 a

P

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 sur

les gaz ionisés. Nous avons commencé par étudier leur constante

diélectrique

et leur conductibilité. IJarla

suite,

des résultats

imprévu;

nous ont

obligés

à

élargir

le

champ

de nos recherches et à soumettre les gaz à de nouvelles

expériences.

Quoique

les résultats de nos

recherches aient

déjà

fait

l’objet

de

publications (q),

il

nous a paru que le

problème

est encore d’actualité et

qu’un exposé

d’ensemble de ce travail serait utile.

Le

prohlème

a

préoccupé

déjà

nombre de

chercheurs,

(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 vue

théorique

qu’au

point

de vue

ex-périmental.

La théorie a été

développée

par

Eccles,

Salpeter,

Larmor et d’autres

(1).

On a établi comme

résultat de calcul que,

parmi

les diverses

particules

présentes

dans un gaz ionisé, celles

qui

affectent le

plus

la constante

diélectrique

et la conductibilité du milieu sont les électrons. Pour un milieu indéfini conte-nant par cm3 N électrons de masse ?7? et de

charge e,

la constante

diélectrique

pour la

longueur

d’onde X varie de

(1) Cf. R. Les ondes

électriques

cozirtes. Ed. Presses Univ. de France. Paris.

(3)

et sa conductibilité reste

égale

à zéro si les électrons ne

subissent pas des chocs avec les molécules dans un

intervalle de

temps

très

grand

par

rapport

à la

période

Ta

du

champ

électromagnétique.

Si l’on tient

compte

des chocs des électrons contre les molécules et des

pertes

d’énergie qui

en

résultent,

on doit attribuer au

milieu uneconductibilité. Les théoriciens ont établi des relations entre 3,K et la conductibilité d’une

part

et d’autre

part

les

grandeurs statistiques

caractérisant l’état d’un gaz du

point

de vue de la théorie

cinétique :

le libre parcours moyen et la

température.

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 te

diélectrique

d’une

atmosphère

de gaz ionisé devient

plus petite

que l’unité pour de faibles ionisa-tions et

qu’ensuite

elle devient

plus

grande

que l’unité pour des ionisations

plus

fortes. Ils ont établi que la valeur de l’ionisation pour

laquelle

son effet sur la

constante

diélectrique

change

de

signe,

varie d’une

façon

régulière

avec la

longueur

d’onde du

champ

élec-tromagnétique.

III. H. Gutton conclut que les gaz

ioni-sés ontune

fréquence

propre de vibration,

qui

dépend

de la densité des électrons. Plus tard M. C. Gutton

(+)

dé-montra par de nouvelles

expériences

l’existence de

périodes

des vibrations de gaz ionisés. Aux mêmes ré-sultats

expérimentaux

ont abouti aussi

Appleton

et

Childs

(~).

Pourtant ces derniers

physiciens

sont

oppo-sés à l’idée de l’existence de

périodes

propres des élec-trons. Par contre Tonks et

Langmuir (6)

ont cherché à

expliquer

l’existence de ces vibrations comme étant des vibrations de l’ensemble des électrons du gaz par

rapport

aux ions

positifs.

Entre

temps

est paru le travail de

Bergmann

et

Dü-ring

(’)

qui

trouvent que la

capacité

d’un condensateur contenant des électrons est

plus petite qu’en

leur

ab-sence et constatent même un accord

numérique

entre les valeurs

expérimentales

et les valeurs

prévues

par la théorie.

Enfin Mlle

Szekely (s)

trouve que la constante

dié-lectrique

n’est pas diminuée par l’ioniçalion du gaz,

comme

l’exige

la

théorie,

mais

qu’au

contraire elle

augmente.

Telles étaient nos connaissances

expérimentales

sur

les gaz ionisés soumis à l’action d’un

champ

électro-magnétique,

au moment où nous avons

publié

nos

premiers

résultats. ,

Les conclusions

qu’on

tire de ces études étant d’un

grand

intérêt pour la théorie de la

propagation

des

ondes

électroillagnét iques

courtes,

nous avons

pensé

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,

étude

qui

n’avait pas été faite avant nous. Pour cela nous envoyons un fais-ceau

électronique

entre les armatures clu condensateur de mesure,

placé

dans

l’espace compris

entre deux électrodes maintenues au même

potentiel.

Les électrons animés de la vitesse v restent entre les armatures du

condensateur

longues de p

cm. le

temps

T

v

qui

est

v

-du même ordre de

grandeur

que la

période

du

champ

électromagnétique.

Elle

sortant du

condensateur,

les électrons

emportent

de

l’énergie

empruntée

au

champ

alternatif,

ils

communiquent

au condensateur une

1 conductance -.

P

Fig 1.

On

peut

calculer la variation de la constante

diélec-trique

q 3K et la

conductance-

de la

façon

suivante. P

Soit r la distance entre les armatures de

condensateur,

c leur

largeur

et Ia =

ho

cos w t l’intensité du

champ

alternatif

parallèle

à ’l’.

L’électron

qui

se trouve entre les armatures du

con-densateur est soumis à l’accélération

de sorte

qu’il

acquiert

entre le moment de son entrée dans le

condensateur t.

et le moment actuel 0 la vitesse.

Le courant

électrique

du aux électrons de l’élément

AI)

est Ai == Il’,

-

p

t

Puisque

.1p

.1 lx

le courant

électrique

à travers le condensateur

est,

au moment 0

(4)

courant total a une

eomposante if

en

phase

avec h et uno autre

1,y

en avance de

phase

Leurs

amplitudes

sont

et

Le condensateur se

comporte

comme l’ensemble d’une

capacité

C’ et d’une

réi8tance p

mises en

parallèle.

La.

présence

dans le condensateur des électrons de

vitesse v modifie donc la constante

diélectrique

du mi-lieu de la

quantité

et lui

communique

lacoiiductibilité

(’1)

A l’aide de ces formules nous avons calculé les

quanti-AK cr

et

72

pour différentes

longueurs

d’ondes

com-, /,

p

prises

entre

1,80

et 25 m, un condensateur

long

de

8 cm et un

potentiel

accélérateur de 400 volts. Ces

conditions sont celles de la

majeure partie

de nos

expé-riences.

Les valeurs ainsi obtenues sont

représentées

par les courbes en

pointillé

de la

figure

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 en

parallèle

avec un condensateurà lame

diélectrique

mobile. L’ensemble constitue la

capacité

du résonateur dont le courant est mesuré à l’aide d’un

couple thermoélectrique

et d’un

galvanomètre.

Un oscillateur à

lampes

triodes induit dans le résonateur un courant de haute

fréquence.

Soit e û A sin c71 la force électromotrice induite dans le circuit résonnant. A l’aide du condensateur variable

(condensateur

à lame

mobile)

on établit la résonance entre les deux circuits. La déviation maximum du

gal-4 vanomètre donne le courant de résonance

lM

et

la

capacité

du résonateur satisfait à la relation

2013-.

Puis on envoie les électrons dans le

Lw2

*

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. Voir

Ann. 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 du

gal-vanomètre donne la valeur du courant de résonance

lm-Les relations

qui

existent entre

Im,

à

Cobs.

peu-vent être établies comme suit. Le circuit résonateur

en

présence

des électrons eat

représenté

par la

figure

2.

Fig, 2.

L’amplitude

du courant

qui

y circule est donnée par

l’expression

Si on tient

compte

de ce que -

°

sont de l’or-dre de 10-5 et si on conserve seulement les infiniment

petits

du

premier

ordre,

on obtient pour la

capacité

de

résonance

l’expression

et pour le courant de résonance :

On

peut

simplifier

aisément cette

expression

si l’on

tient

compte

du fait que dans la fraction sous le radi

cal le terme le

plus grand

est £.

On fait la division - w

en ne conservant que des infiniment

petits

du

premier

ordre. On a ainsi

En

comparant

les

expressions

de

1>j et Im,

on a

(5)

En

posant

’2.L

= o et en tenant

compte

de ce que les E> L

déviations 4 du

galvanomètre

sont

proportionnelles

aux carrés du courant on a

La résistance p mise en

parallèle

sur notre conden-sateur fait varier la

longueur

d’onde du résonateur et pour compenser cette variation il faut

augmenter

la

capacité

du résonateur de la

quantité

Corn lne, el’autre

parI,

le, électrons

changent

la

capa-cité du ell

ais-ant

directement sur !a constance

diélei Uïque

d’e la

quantilé

Ll 6’=== C ~

Il’,

pour ramener la

résonance,

il faut que la

capacité

variable soit

augmentée

tic

Donc

On obtient les valeurs

due -

et de à

C,

en

détermi-P

nant les 0

Cobs,

les

rapports

des déviations

galvanomé-triques

obtenues sans électrons entre les armatures

du

condensateur,

aux déviations en

présence

des

élec-trons, ainsi que la

capacité CM,

la

longueur

d’onde X

et le

facteur 2a,

Pour effectuer ces mesures

nous avons

disposé

des

appareils

suivants :

Appareils. -

Le tube dont nous nous sommes

servis est

représenté

sur la

figure

3.

Fig. 3.

Le filament en

tungstène

( f )

de

0,~

mm diamètre était chauffé à l’aide de la batterie d’accumulateurs

lit

(6

volts,

60

Ah).

La

grille

(g)

située à 4 mm du fila-ment avait un

potentiel compris

entre 100 et 250 volts. Cette tension de la

grille

ainsi que le

chauffage

du filament

permettaient

de

régler

l’intensité du courant

électronique.

L’anneau

(a)

à 7 cm du filament

permet-tait d’accélérer les électrons transmis par la

grille.

Son

potentiel

était maintenu par la batterie

Ba

ou par

une

dynamo qui pouvait

donner des tensions entre

400

et 2

volts. A 1() cm de l’anneau se trouve la

plaque

(l’~,

dont le

potentiel

pendant

ces

premières

mesures était maintenu

égal

à celui de l’anneau. Sur la

porlion

libre du tube

comprise

entre l’anneau et la

plaque

sont collées deux feuilles d’étain. Elles constituent les armatures du condensateur cle mesure

C. La densité des électrons entre ses armatures est contrôlée à l’aide du

niilliampèremètre

11lA28

Le condensateur C mis en

parallèle

sur le condensateur variable C’ forme la

capacité

du circuit résonateur. Sa self est constituée par un cadre

large

de

11,5

cm

dont la

longueur

peut

être modifiée à l’aide des barres de cuivre

imerchangeables b b’ (fig. i).

Fig. 4.

Le cadre est pourvu d’une thermosonclure S en

fer-constantan de

0,)

mm de diamètre reliée au

galvano-mètre f.%.

Le condensateur variable C’ a des armatures en

lait,on a a’. Une lame de verre

guidée

à distance par

une

règle

en bois

glisse

entre les

pièces

V~V’. Les

variations de sa

capacité

ont été étalonnées au

préa-lable à l’aide d’un condensateur variable

cylindrique

C". Pour cela on a mis les condensateurs C’ et C" en

parallèle

sur le condensateur

Ce

d’un oscillateur à

lampes

(~=

500

mètres) (fig. 5.)

L’osclillateur 0 et

l’hétérodyne

stabilisée au

quartz

H étaient

couplés

sur le circuit d’entrée d’un

amplifi-cateur à basse

fréquence précédé

d’une

lampe

détec-trice D A. On

règle

les battements à l’unisson avec

le

diapason

D. On retire ensuite la lame en verre

d’une

longueur

donnée et on rétablit la

fréquence

initiale de l’oscillateur à l’aide du condensateur

cylin-drique.

Le condensateur C"

(fig. 5

en

bas)

est constitué par les

cylindres

Ce

et

cri

de

z7,8

et

15,9

mm. diamètres.

Le

cylindre

Cg

du même diamètre que

C~

est mis en

communication

électrique

avec

Ci. L’arrangement

(6)

,Cil sont dues

iiniquement

aux

déplacements

de

6’~

à l’intérieur du est actionné à distance à l’aide ,d’une vis

micrométrique

qui permet

d’évaluer un

déplacement

de

~~,0~~~~

mm et donne par suite une

variation de

capacité

de

par division.

Pour Ic

plus petlt

condensateur variable

employé,

cette variation de la

capacité

était obtenue en

déplaçant

la lame en verre de R4 mm. Comme la variation de la

capacité

était

proportionneHe

aux

déplacements

de la

lame et que la série des

étalonnages

successifs don-nait des résultats

concordants,

on

peut

être isûr de

mesurer par cette méthode de

petites

capacités à t 1,001

ou

0,002

u. e. s.

près.

Le courant alternatif était induit dans le, résonateur par un oscillateur à

lampes

triodes. Nous nous sommes

servis

principalement

de deux modèles d’oscillateur. Pour des

longueurs

d’onde intérieures à 7 m le

mon-tage

employé

était celui de Gutton et

Touly ;

pour des

longueurs

d’ondes

plus grandes,

celui de

Fig. 5.

Les variations de

longueur

d’onde étaient obtenues dans le

premier

cas en

déplaçant

le

pont

le

long

de

barres liées à la

grille

et à la

plaque,

dans le second

cas en

déplaçant

la lame en verre introduite entre les armatures du condensateur. Nous avons

employé

des

lampes

Métal des modèles et T M C.

Enfin les

longueurs

d’onde étaient mesurées à l’aide d’un

système

de

Lecher,

dont la

longueur

a été de i2 m, muni au bout d’une soudure

thermoélectrique

reliée au

galvanomètre.

Mesures. - On met l’oscillateur sur une table à côté du

système

Lecher. De l’autre côté de l’oscillateur

se trouve le résonateur avec le tube. Les connexions étant faites selon la

figure

3,

on amène le résonateur à la résonance et on note la

position

de la lame en verre

du condensateur étalonné ainsi que la déviation maximum du

galvanomètre aM

sans chauffer le fila-ment. Puis on chauffe le filament

jusqu’à

avoir le courant de

plaque

voulu,

on rétablit la résonance et

.n note la nouvelle

position

de la lame et la déviation du

galvanomètre

Omo

On inesure ~1~ nouveau la

posi-tion de la lanie et

£y

sans courant

électronique, puis

avec un courant

élecLrmuque

déférent de celui du

premier

car et ainsi tir- suite pour différentes

inten-situés du courant de

plaque comprises

entre 0 et 2

milliainpéres.

La valeur de

2Nf

ctant

prise

une dernière

fois,

on

fait croître la

capacité

du résonateur

jusqu’à

ce que la

déviation du

galvanomètre

soit a,

= On diminue ensuite la

capacité,

en

passant

par la

résonance,

jusqu’à

ce

qu’on

obtienne la même déviation

ok’

On note la

variation à

C = Ci

-

C2.

Si on

désigne

les

pulsations

correspondantes

par ~1 et et si on tient

compte

de

ce que

on oblient aisément la relation

En faisant les substitutions

et les

approximations

on a le facteur

Après

cela on mesure A.

(7)

la

position

de la lame de verre. On fait varier la lon-gueur d’onde de l’oscillateur de la

quantité 3

À

qu’on

mesure à l’aide du

système

Lecher,

on amène de nou-veau le résonateur à la résonance et on note encore une fois la

position

de la lame.

On trouve ainsi à A

qui

correspond

à la variation de

la

capacité à

C

La relation

nous donne la valeur de

C,11.

Après

avoir effectué ces mesures, on calcule les

1

valeurs

due -

et A C et on construit des courbes où ces p

valeurs sont

comptées

en

ordonnées,

les abscisses don-nant les valeurs du courant de

plaque.

Par les

points

résultants on trace des droites dont les

pentes

nous don-1

nent les valeurs moyennes due 6. C

et 1

pour un

cou-P rant de

plaque

de 1

milliampère.

Résultats. - Avec deux tubes de mêmes

dimen-sions,

nous avons effectué

plusieurs

séries de

mesures-Les tubes ont été au

préalable

vidés à l’aide d’une

pompe à diffusion à trois

étages

durant six heures. Pendant cette

opération,

ils étaient maintenus à 420°G

et la canalisation était refroidie par

CO2

solide dans l’éther. Le

premier

tube ne contenait que de l’air à une

pression (évaluée

à l’aide de l’intensité du courant des ions

positifs)

plus

petite

que li)-4 mm

Hg.

Le second tube a été lavé

plusieurs

fois

pendant

l’évacua-tion avec de

l’hydrogène.

Les gaz résiduels étaient l’air et

l’hydrogène.

Fig. 6. 1. Avec le

premier

tube nous avons effectué deux séries de mesures, en variant la

longueur

d’onde de l’oscillateur entre /, =

1,80

et 20 m. Dans la

première

série le

potentiel

accélérateur était

égal

à 400 volts et dans la seconde à 1600 volts. Les résultats sont donnés dans la

figure

6.

Les valeurs

expérimentales

sont

exprimées

en uni-tés

électrostatiques.

Avec le tube lavé à

l’hydrogène

nous avons fait

plusieurs

séries de mesures entre h = 2 m et A _ ~0 m

le

potentiel

accélérateur étant

toujours

égal

à 4C0 volts.

Les résultats de la

première

série ressemblent tout

à fait à ceux donnés dans la

figure

6.

Après

ces

mesures, le filament

ayant

été

surchauffé,

il y a eu

émission de gaz occlus dans les

électrodes,

et la

pression

du gaz dans le tabe a

augmenté.

Nous avons

alors refait !es mesures : ces résultats sont

représentés

par les courbes de la

figure

7.

Nous avons constaté que les valeurs obtenues cette fois sont en moyenne deux fois

plus petites

que celles de la

première

série.

Après

avoir

provoqué

encore une fois la surchauffe du

tube,

ce

qui

a fait monter

aussi la

pression

du gaz, nous avons effectué encore

quelques

mesures. Les résultats sont

représentés

sur

(8)

h’ig. 7. 1

On voit que les valeurs de

ACet -

ont encore baissé. F

2. En

regardant

ces

courbes,

nous avons été

frappés

par leur ressemblance avec les courbes de variations

de l’indice de réfraction 72 et de l’indice

d’absorption

x, d’un milieu

dispersif

ayant

des vibrations propres

de

pulsations

wo. Il y a

pourtant quelques

discor-dances. Si elles sont

petites

sur la

figure

7 où la courbe

de A C coupe l’axe des abscisses pour À = 10 m et où la conductibilité passe par le maximum à î, =

9,50

m

sur la

figure

6 le désaccord est

plus grand.

Outre le fait

que à

C est

égal

à zéro pour A _ 12 75 m

et 1

P est maximum pour X

== 9,50

m, on y voit d’une

façon

nette se superposer un autre

phénomène

vers les

petites longueurs

d’onde. Nous avons cherché

l’expli-cation de nos

observations,

en admettant que nos mesures

représentent

la somme de deux

phénomènes :

l’effet d’électrons

ayant

une

fréquence

propre (1)0 et l’effet des électrons libres.

3. Nous avons admis que les

premiers

sont attachés

aux molécules par des forces

quasi élastiques.

Soit

P~wo

leur nombre par cm3. Ils oscillent autour de leurs

positions d’équilibre

sous l’influence du

champ

alter-natif de haute

fréquence

F =

Eo

cos c~t =

partie

réelle de

Eo

el - t. Le courant

électrique engendré

par ces

électrons est :

où h’ est la constante

diélectrique

imaginaire

du mi-lieu et R - la résistance de frottement de l’électron

rapportée

à sa masse.

Il s’ensuit que

et

Si Wm est la valeur de w pour

laquelle

AC passe pur

un

minimum,

on a

1

De même la valeur maximum

de -

qui

a lieu pour

p

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 en

fom-tion de A les courbes

représentant -

et à C. Comme P

nous l’avons

déjà

dit,

l’accord était assez bon pour les

courbes de la

figure

7. Il était moins bon pour les courbes de la

figure

6.

4. Nous y avons vu l’effet des électrons libres. Pour

vérifier cette

hypothèse,

nous avons fait

appel

aux for-mules

(2),

dont les valeurs divisées par )...2

représentent

1 .. , .

d. d

il () 1

1 f’ les variations

périodiques

et

1

avec la

fré-)B .. ’Z

quence du

champ

électrique.

Pour faire la

comparaison,

nous avons divisé les va...

leurs

expérimentales

de ~

par )...2 et nous avons tracé P

la courbe

qui

en résulte sur la

figure

8.

Les valeurs de

1

sont

marquées

par des

petits

cer-

pÀ-cles. Dans la même

figure

nous avons tracé en

(9)

Fig. 8.

6.8x10~

9

sec

qui

est bien le

temps

de

séjour

des électrons

qui passent

entre les armatures du condensa-teur avec une vitesse v ~

1,18

X 109

corres-pondant

à 400 volts

potentiel

accélérateur. On voit sur

la

figure

que le maximum et le minimum de deux

cour-bes ne coincident pas. Par

contre,

si on attribue aux

électrons libres un

temps

de

séjour

de

1,13 X

sec

(potentiel

accélérateur de 144

volts),

on obtient la sinu-soïde en traits

pleins

de la même

figure.

On voit que

cette fois l’accord entre les

positions

des maxima et de minima des deux courbes est aussi bon

qu’on

peut

le désirer. Donc les électrons libres dans notre tube ont une

vitesse

correspondant

à volts

approximativement.

5. En

analysant

les courbes de la

figure

6,

dans le but d’établir la contribution de chacun des deux groupes

d’électrons,

nous sommes arrivés à la conclu-sion

qu’il

y a dans notre

tube,

par

cm3, 1,52

;; 107 électrons liés et

1,43 X

10’ électrons libres pour un

courant de

plaque

d’un

milliampère.

Pour les

pre-miers,

la résonance a eu lieu à u mètres de

longueur

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 leur

séjour

dans le condensa-teur

corrrespondant

à 144 volts du

potentiel

accé-lérateur. En substituant ces valeurs dans les for-et

(7),

on obtient les effets des

deux catégories.

Ils sont

représentés

dans la

figure

9 par les courbes en

pointillé

pour les éfectrons libres et

par les

courbes en

traits

pleins

et

fins pour

les éleclrons liés. Leur somme

est donnée par les courbes en gras traits. En les

com-parant

avec celles de la

figure

h, on voit que cette fois

est très bon. Cela, prouve que notre

analyse

est correcte et que les valeurs

numériques

que nous en avons déduites sont exactes.

Les formules

(-2)

peuvent

être vérifiées pour une

pression plus

petite

que 10-" mm

Hg, puisqu’alors

le

libre parcours cles électrons est

plus grand

que la lon-gueur du Pour dis

pressions

plus

grandes,

peu d’électrons

peuvent

traverser le

conden-sateur sans subir des chocs avec les molécules du gaz.

Pour tenir un

compte

exact de l’effet des électrons libres à ces

pressions,

il faut donner à 7’la

signification

de l’intervalle de

temps

entre deux chocs successifs d’un électrons avec les molécules. Ce

temps

décroît

quand

la

pression augmente,

et le facteur ( T dans le 1:

domaine de nos mesures devient

plus petit

Cela

signifie

que les variations

périodiques

de n’ont

plus

e

lieu pour X

compris

entre

1,8

et ~0 m, mais pour des

longueurs

d’onde

plus

petites ;

et en

première

approxi-mation le facteur X-

( ï

- cos w

7’>

-_

devient

égal

à 2 9 c2 T. De cette

façon,

ne varie que très peu avec

(10)

la

longueur d’onde,

mais varie avec la

pression.

Donc,

ce

qui

est à

prévoir

est

qu’au

fur et à mesure que

la

pression

croît l’effet des électrons libres diminue et que les variations

périodiques

de -

faciles à mesurer,

o

s’écartent de notre

champ

d’observation. En

effet,

de deux courbes obtenues avec le tube à

H~,

c’est seule-meut sur la

première

courbe

prise

à uoe

pression

plus

petile

que 10~

mm Hg

qu’on

voit l’effet des électrons libres bien

marqué.

Pour fixer les

idées,

nous allons résumer nos conclu-sions : Dans les tubes contenant du gaz ionisé à des

pressions

comprises

entre 10-3

mm Hg

et t0-e mm

Hg,

en l’absence d’un

champ électrique

constant,

il y a

des électrons libres et cles électrons

liés, ayant

comme

,> i ,

période

propre de vibration v

=. 2013

L’effet ~7t 3

des électrons libres sur 3f§

et -

est donné par les P

formules

(2).

Nos

expériences

ont vérifié ces formules

d’une

façon quantitative.

L’effet des électrons liés est donné par les formules

(7)

vérifiées encore par nos

expériences.

Les densités des électrons de deux

catégories

sont du même ordre de

grandeur.

Elles sont toutes les deux environ 17 fois

plus grandes

que la densité calculée à

partir

de l’intensité du courant

électronique,

du

poten-tiel accélérateur et de la section du

tube, à

savoir 8.5 X

Dans le but de mettre en évidence par d’autres

moyens l’effet des électrons de

chaque catégorie

et de les étudier de

plus près,

nous avons

entrepris

d’autres

mesures. e

Influence du

potentiel

accélérateur. - Tout 1 d’abord nous avons fait une série de mesures de C

et

-r

qui

devaient nous

renseigner

avec

plus

de

précision

sur l’effet du

potentiel

accélérateur. Nous avoiis effec-tué ces mesures en lui donnant des valeurs

cornprises

entre 400 et ~ î~0 volts. Pour ces

valeurs,

la vitesse des électrons

primaires

a varié de 1 à

2,

6;

leur

temps

de

séjour

entre les armatures du condpnsateur a varié dans le même

rapport;

ce

qui

devait faire varier les

1

à C

et

si ceux-ci avaient été dùs à l’effet direct des P

électrons

primaires

ou si ces électrons avaient exercé

une influence

appréciable

sur le nombre et les condi-tions de vibration des électrons des autres

catégories

présents

dans notre tube. Or, les résultats de nos

me-sures faites

pour A

= 3?() cm.

représentés

en fonction de l’intensité du courant de

plaque,

se

rangent

pour

toutes les valeurs du

potentiel

accélérateur sur des

droites

parallèles

entre

elles,

ce

qu’on

voit sur la

figure

to.

Les conclusions que nous en avons tirées sont que

l’apport

des électrons

primaires

dans les valeurs

due -

et P

3 C est

négligeable

et que ces électrons n’ont une

in-fluence

appréciable

ni sur la

fréquence

propre des électrons liés. ni sur la vitesse des électrons libres à

petite

vitesse

(144 volts).

Le

dernier

point

sera mieux

démontré par les

expériences

décrites dans le

para-graphe

suivant.

Fig. à0.

Expériences

faites avec

l’espace

anneau

plaque

soumis à un

champ

électrique. -

Nous

avons étudié ensuite l’i1diut’Ilce d’un

champ électrique

constant

parallèle

aux

plaques

du condensateur. Pour cela nous avons exécuté deux séries de mesure en

sou-mettant

l’espace anneau-plaque

à des différences de

poteiitiel 3 V

variables,

tout en maintenant constants le

chauffage

du

filament,

le

potentiel

de la

grille

et celui de l’anneau.

a) Caractéristiques

du tube. - Dans ces

conditions,

nous avons mesuré d’abord les intensités des courants de

plaque

Ip

et celui de l’anneau

la’

Les résultats de ces mesures pour des

potentiels

de l’anneau

égaux

à 400, 1600 et 2800 sont

représentés

par les courbes

(A) (B)

et

(C)

de la

figure

11.

Ces courbes ont été relevées dans des conditions de

chauffage

telles que l’intensité du courant

Ip

pour 0

(courant

initial)

étuit

égale

à 1.15 m. A. pour

les 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 varier

à V de -:300 à

+

300 volts pour

(A) et

de - 600 à

+

600 pour

(B)

et

(C).

(11)

Fig. 1 i . restent

petits.

Pour 1 V

négatif

ces variations

rapides

cessent

brusquement

pour des valeurs de Ll V bien

dé-finies ;

pour les courbes

(A)

à 3 V == - i 40 volts et pour

les courbes

(B)

et

(C)

à 3 V = - 150 volts. Pour ces

va-leurs les courants

1 p

ont

déjà

des valeurs

négatives

et continuent à rester tels pour des valeurs

plus

grandes

de - 3V

n’ayant

dans le domaine de nos

mesures que de faibles variations continues. Pour à V

positif

les courants

la

et

7

tendent

asymptotique-ment vers des valeurs limites.

Quand

on

augmente

le

chauffage

du filament de

façon

que

Ip

initial soit 2 m A toutes les valeurs de

l p

et

la

sont à peu

près

deux fois

plus grandes :

le

changement

de

pente

s’observe cette fois pour à v un peu

plus

grand

que pour les courbes obtenues pour

Ia

initial ‘ 1 m A. Dans tous les cas la somme

Ia

-~-

lp

reste constante

quand

on fait varier 0 V.

On

peut

interpréter

ces résultats de la

façon

suivante.

Les électrons émis par le filament sont accélérés par

l’anneau et

pénètrent

entre l’anneau et la

plaque

où ils ionisent le gaz.

Entre l’anneau et la

plaque

on a :

1)

Des électrons dont la vitesse est

égale

à celle don-née par le

potentiel

accélérateur ;

2)

Des ions

positifs ;

3)

Des électrons

qui

ont une

petite

vitesse ;

ils sont en très

grand

nombre; de plus,

ils se meuvent dans toutes les directions.

4)

Des électrons attachés aux molécules.

Quand

on

applique

entre l’anneau et la

plaque

une

différence de

potentiel

AV,

celle-ci

agit

sur les

élec-trons libres en les

dirigeant

dans le

champ.

Cet effet croît avec l’intensité du

champ jusqu’à à

V‘ 150 volts.

Ce

potentiel

est suffisant pour

diriger

tous les électrons

de notre

tube,

donc mesure leur vitesse. Comme on le voit sur les

courbes,

ce

potentiel

est le même pour toutes les valeurs du

potentiel

accélérateur. Par

conséquent,

la vitesse des électrons

primaires

n’a pas

d’influence

sur

la vitesse des électrons libres à

petite

vitesse. Pour à V

-1 ~0

volts,

le courant de

plaque

reste constant sauf pour les courbes

(A)

où sa diminution

peut

être

expliquée

par l’influence

trop

grande

de à V sur la vitesse des électrons

primaires.

Pour à V>

100

volts,

les électrons

qui

se trouvent entre le filament et l’anneau

pénètrent

entre l’anneau et la

plaque

et sont

captés

par celle-ci. Ils

augmentent

le courant

Ip

d’une

quantité

donnée par les différences des ordonnées des courbes en traits

pleins

et en

poin-tillé.

b

Mesures

de t1C

et, 1

- Nous avons

complété

ces

P

1

mesures par p les mesures de 3C

et

dans les

condi-i’

tions telles

qu’elles

sont données par les courbes

(B)

de

la

figure

Il en faisant varier 3 V de - 4~0 à

+

420

volts. Les courbes de la

figure

R ~ nous donnent les

résultats de ces mesures pour

quatre

longueurs

d’onde différentes. Deux d’entre

elles,

se

rapportant

à j, J

7,18

m et X

= 10,07

m sont choisies de

ma-nière

qu’on

soit

près

des maxima de - !1C

et ~

des P électrons liés. On

peut

interpréter

ces résultats en

supposant

que le

champ

électrique

modifie la vitesse

des électrons libres sans modifier

appréciablement

le nombre des électrons liés.

Essayons

à l’aide de cette

hypothèse d’expliquer

la forme des courbes de

(12)

Fig. 12. ,

une différence de

potentiel à V.

Alors les électrons

qui

vont en sens contraire du

champ

électrique

auront leur vitesse accrue, devenant 144

volts ;

les électrons

qui

vont dans le sens du

champ

auront leur vitesse diminuée devenant l~j~ - ~ v volts.

Quand A F =144 volts,

leur vitesse s’annule et tous

les électrons

prennent

un mouvement vers l’électrode

positive.

L’effet de ces variations de vitesse sur àC et

- 1

peut

être suivi sur les courbes de la

figure

13,

p

qui représentent

pour

quelques

valeurs du

temps

de

séjour

entre les

plaques

du

condensateur,

les valeurs

et -

en fonclion de ï. pour le même

p

nombre d’électrons par em3. On

peut partager

chacune de ces courbes en deux

régions :

un

palier

du côté des

grands K

et la

région

des variations

périodiques

du

côté des

petits

A. A mesure que la vitesse

électronique

croît,

le

temps

de

séjour

diminue,

la hauteur du

palier

diminue aussi et la

région

des variations

périodiques

est reculée vers les

petits

~.

F.g.13.

On

peut

suivre facilement les variations

(le

et AC

, ,

,P

représentées

sur les courbes de la

figure

12 à l’aide de

la

figure 13,

en

ajoutant

l’effet de la moitié des

élec-trons

pris

sur les courbes

qui correspondent

à V

-1£4 - 3 V,

à l’effet de l’autre moitié

pris

sur les courbes

qui

correspondent

à V = 144

On

peut

aussi montrer que le nombre des électrons

attachés aux molécules ne varie pas

beaucoup

avec

AV.

Entre l’anneau et la

plaque,

établissons une

diffé-rence de

potentiel

constante

égale

à 420 volts. Une par-tie des électrons libres a maintenan t une

vitessecorres-pondant à

564 volts et l’autre à 2"76 V. En

ajoutant

les effets de ces deux

catégories

d’électrons,

on observe

que l’effet total ne

présente

pas de

grandes

variations

avec j, enture 3 et 20 m. comme c’est le cas pour les élec-trons à 1 It It volts.

véi-ité,

si on

représente

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 AC

et ~

suiveut de

(13)

près

les courbes

qui

dUlll/ent 1

effet

des électrons liés seuls

(fig. 9).

Mesures dans le

champ

magnétique. -

Pour eifectuer ces mesures, nous avons inti-oduit la

partie

du tube

comprise

entre l’anneau et la

plaque

dans une bo-bine coaxiale avec le tube. La bobine était construite de telle

façon

qu’un

courant d’un

ampère produisait

à l’intérieur un

champ

de 100 gauss. On faisait passer entre l’anneau et la

plaque

un courant

électronique

d’intensité

voulue,

on mettait l’oscillateur en marche

1

et on mesurait les àC’ et

.

Puis on

lançaif

un courant P

dans la bobine et on effectuait les mesures de Cet

- pour

diverses intensités du

champ

magnétique,

tout P

,

en maintenant le même courant

électronique.

Nous

avons effectué ainsi une série de mesures pour des i,

compris

entre 2

m,3~

et 19 mètres. Les résultats de ces mesures sont

données,

pour

quelques X,

par les

courbes de la

figure

14.

Fig, 14.

Les courbes

Areprésententen

fonction du

champ

//la conductibilité 6 due aux deux sortes

d’électrons ;

les

lignes

en

pointillé séparent

l’effet des électrons libres de celui des électrons attachés aux molécules. L’effet des électrons attachés est

représenté 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 des

fréquences qui correspondent à

des

longueurs

d’onde

plus

grandes que 4

m, la

diffé-rence H-1l’ =

Il.,

est constante et

approximativement

égale

a

10,59

gauss. Pour des

fréquences plus grandes,

la différence

H-H’ croît(2).

Ces résultats

peuvent

être

Fig. 15.

interprétés

en-admettant

que les électrons attachés se

trouvent dans un

champ magnétique,

moléculaire de

10,59

gauss. Dans ce

champ,

les électrons ont des

mou-vements de

précession

avec la vitesse

angulaire

qui

correspond

assez bien à la

fréquence

propre du gaz ionisé sans

champ

magnétique

extérieur. La

diffé-rence

qu’on

a observée entre ces deux valeurs est sans

doute due à la

petite

précision

avec

laquelle

on

peut

déterminer la valeur du

champ

de résonance.

Lors-qu’on

applique

un

champ

extérieur H’ la

précession

a

lieu dans le

champ

résultant H =

Ho --~-

H’ et l’on

obtient la résonance du gaz pour une

longueur

d’onde

plus

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 la

(14)

1

Variations de à C

et

avec la

pression

et la p

nature du gaz. - Les

expériences

décrites

jusqu’ici

avaient été faites avec deux tubes scellés à la

lampe,

ce

qui

nous avait

empêché

d’étudier

systématiquement

la variation de à C

et -

en fonction de la

pression.

P

Nous avons alors

repris

les mesures dans le

champ

magnétique,

après

avoir ouvert le tube. Nous avons

opéré

avec différents gaz :

l’air,

l’hydrogène

et

l’azote,

en faisant varier la

pression

et la

longueur

d’onde. Tout d’abord nous avons trouvé que la

présence

des électrons liés ne

peut

être constatée que si l’air est bien sec et la

pression

du gaz est

plus petite

qne 10-3 mm

Hg.

Le

phénomène apparait

si le tube a été chauffé

préalablement,

courbes

A, B, C

(fig. 15),

ou

si on a au

préalable

laissé l’intérieur du tube se

dessécher

pendant quelques

semaines sur du courbes

D,

B, F

(fig. 17).

Quant

à la nature des centres de

liaisons,

nos

expériences

avec

l’air,

l’azote et

l’hy-drogène,

nous font supposer que ce sont les molécules

d’oxygène qui

s’attachent les électrons. Cette

hypo-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 ions

négatifs d’oxygène

est réduite. La

fixa-tion de l’eau

empêche

les wb°ixlonfi des électrons ou, tout au

moins,

change beaucoup

leur

période.

Ceci nous

montre

pourquoi

le

phénomène

n’apparalt

qu’à

la

con-dition de dessécher

longtemps

le tube sur du P2

O~;,

ou, encore

mieux,

de le chauffer à une forte

tempéra-ture.

3. C’est

l’oxygène

qui,

parmi

ces gaz, est

paramagné-tirlue.

Donc c’est dans la molécule de ce gaz que

l’électron tournant

peut

trouver un

champ

magné-tique

pour y exécuter le mouvement de

précession

déterminant la vibration propre.

Aux

pressions

plus grandes

que

90-3,

les mesures

avec le tube

rempli

d’air sont difficiles et dans les mêmes conditions

d’expérience

semble-t-il,

on obtient

des valeurs

qui

ne se

reproduisent

pas

identiques.

Par

contre,

sur un tube contenant de

l’hydrogène

ou de

l’azote,

même récemment

rempli,

les mesures sont

faciles à exécuter et on obtient des valeurs

qu’on

retrouve, si on rétablit les mêmes conditions

d’expé-riences. Ces résultats sont donnés dans la

figure

15 où les courbes

a, 6,

c,

d, e,

f,

représentent

les variations

de la conductibilité avec le

champ magnétique.

On y voit que, pour les

petites pressions,

dans la

partie

de la courbe

qui

doit montrer la résonance des électrons

liés,

les courbes sont

dépourvues

de c~es

variations,

ce

qui

prouve que dans lc tube il

n’y

a pas d’électrons

liés de la

catégorie

décrite dans la

première partie.

(15)

Pour des

pressions supérieures

à

0,01

mm

Hg l’aspect

des courbes

change.

Leurs ordonnées à

l’origine

mon-trent

qu’en

l’absence du

champ

(H =

0)

la

conductibi-Fiâ. 17.

lité du gaz croit avec la

pression.

En

général,

ces

valeurs notables de la conductibilité varient peu

jus-qu’à

l’approche

de la résonance des électrons libres.

Cependant

sur

quelques

courbes on observe

l’exis-tence d’autres maxima. C’est ce

qu’on

voit sur les courbes b

(7

X 102013~ mm

IIg)

et sur la courbe d

(4

X 10- ~ mm

Hg).

Quoique

nous

ayions

renoncé à donner de même les courbes

représentant

la

capacité,

qui

sont peu

précises

dans ces cas, nous en donnons un

exemple

en Il dans la

figure

16. Ces courbes ont été

obtenues dans les mêmes conditions que les

courbes b,

10-2 et 7 X 10-2 mm

Hg).

On voit sur la seconde

de ces

courbes,

à côté de la variation due à la

réso-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 ne

peut

pré-ciser

l’origine

de ces vibrations. Probablement elles sont dues aux électrons attachés aux molécules

(’).

Les forces des liaisons sont

probablement

très

petites,

parce

qu’il

faut avoir des

pressions

relativement

grandes,

poor que ces vibrations

apparaissent.

Aux

grandes

pressions,

la

probabilité

d’attachement aug-mente avec le nombre des chocs entre les électrons et les molécules. En même

temps,

la

petite

vitesse des électrons aux

grandes

pressions

favorise les

attache-111ents. *

(1) T. Y. Io:vEscu et Irène Compte..; Rendus, 193J, t.196, p. 1 292 et 1813.

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