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La discontinuité des décharges dans un tube de Geissler

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HAL Id: jpa-00242372

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242372

Submitted on 1 Jan 1909

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H. Perkins

To cite this version:

H. Perkins. La discontinuité des décharges dans un tube de Geissler. Radium (Paris), 1909, 6 (10),

pp.294-298. �10.1051/radium:01909006010029401�. �jpa-00242372�

(2)

milligrammes de bromure de radium en équilibre

radioactif. D’après leurs expériences, la tension de vapeur apparente, à la température de 1 air liquide,

décroit très vite quand la quantité d’émanation

con-

densée diminue. Cette ohscrBation concorde avec le fait que je signalais tout à l’heure (voir p. 292,

2e col., ligne 22)

au

sujet de la facilité avec laquelle j’obtenais, dans mes expériences, une condensation totale de petites quantités d’émanation. L’idée que

j’ai énoncée ci-dessus au sujet du rôle important que

joue peut-être l’absorption par la paroi dans le phé-

nomène de la condensation de l’émanation se trouve

appuyée par les résultats de MM. S. Russ et W.

Makovver. En effet, les irrégularités qu’ont obscivees

ces auteurs dans le phénomène de ce que r on a appelé

ta « lension de vapeur de l’émanation

»

peuvent, Cl]

eu

première approximation, et très grossièrement b expliquer si l’on admet que tous les corps, à uae certaine température, se comportent plus ou moins

comme des corps poreux.

J’adresse en terminant mes vifs remerciements à Mme P. Curie qui m’a donne ridée de cc travail et

à M. André Debierlle qui n’a cesse de m’apporter ses encouragements et

ses

conseils.

lHCt;U le 10 septembre 1909. ]

La discontinuité des décharges

dans un tube de Geissler

Par H. PERKINS

[Factillé des Sciences de l’aris.

-

Laboratoire de Recherches Physiques.]

La question de la probabilité d’une variation pério- diclue dans la valeur du courant des décharges de

Geissler est assez ancienne. Faraday et, Whcatstone ont même observe une discontinuité dans les décharges lumineuses, au moyen des miroirs tournants. Plus tard,

Wiedemann et Ruhlmann 1 ont suppose la décharge

discontinue sans beaucoup de raison, sauf dans les

recherches

un

peu grossières de Faraday. Capstick 2

a

indique une espèce de vibration du courant qui ali-

mentait les tubes ou il étudiait un autre phénomène,

et il dit qu’il était très gêné par cette variation du cou- rant. Il nc l’étudiait pas particulièrement ; mais on peut noter les observations suivantes : la variabilité

produisait un son dans le récepteur d’un téléphone en

série avec le tube. Ce son était toujours produit quand

le tube contenait un mélange de gaz; la vapeur d’eau était particulièrement apte a produire cet effet. Le

courant, la fréquence et la ditlérence de potentiel, va-

riaient beaucoup dans

ces

observations. Les électrodes étaient des tils métalliques ; la cathode était toujours

en

platine, ut l’anode en La pression variait

entre 1’2 mm. ut 1

mm.

de mercure, et l’excitaLion de la décharge se faisait avec une batterie de 600 élé- ments.

)1. Villard 3 indique une théorie élémentaire de la

discontinuité, en supposant qu il y

a

des oscillations, dans les décharges aux pressions réduites, analogue à

1. Pogg. Annalen, 145-233 et 364.

2. Proc. 63 ’isus 336.

3. Les rayons cathodiques collection Serentia, page 18.

celles de l’étincelle de décharge d’un condensateur. Il suppose que la capacité de l’ampoule joue le même

rôle que le condensateur. Comme justification il elle

les recherches de M. Abraham 1.

Mais, dans les expériences de M. Abraham, la décharge n’était pas produite par une force électromo- trice constante,

ce

qui me semble nécessaire, si on

veut mettre en évidence une discontinuité duc seule-

ment à l’ampoule et

au

gaz qu’il contient.

L’étude que j’ai faite de

ce

phénomène, avait pour but de chercher l’explication d’uic espèce de réso-

nance qui se produisait quand j’excitais un tube de

Geissler avec un transformateur de 2000 volts et d’une

fréquence de 42,5 périodes par seconde. Avec un

très petit condensateur variable, en dérivation sur le

tube, j’ai trouvé des valeurs de la capacité qui aug- mentent la décharge d’une manière très frappante;

j’ai aussi trouvé des valeurs qui donnent une extinc-

tion de la décharge lumincusc, pourvu que la tension

ne dépasse pas le potentiel explosif.

Le condensateur consistait en deux feuilles de papier

d’étain de 250 cii12 environ, collées

sur

deux lames de verre, dont la distance pouvait varier 1l volonté.

L’effet puissant de cette faible capacité semblait indi-

quer une fréquence assez élevée et caractéristique de - l’ampoule, ct qui s’accordait ou non, avec celle du transformateur. Ainsi pouvaient s’expliquer les maxima

et minima de la décharge.

Pour voir si cet effet existait ou non, je

me

suis

1. C. R., 128 (180D) JJ1,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01909006010029401

(3)

servi d’une batterie de petits accumulateurs du labo- ratoire d’enseignement de la Sorbonnc. Le tube em- ployé dans ces recherches avait un diamètre intérieur de 2,5 cm. et il était vidé une pression d’environ 0mm,1 de mercure. Le gaz était l’air mélangé avec un peu de vapeur d’eau et de mercure.

La cathode était un disque plan d’alulninium de

1,5 cm. de diamètre et pouvait être déplacé axialement

dans le tube. L’anodc, aussi en aluminium était

lixe, et d’un diamètre de 2,4 cm. En série avec le tube et les accumulateurs était un galvanomètre sen-

sible à 3 x 10-6 amp., une résistance â eau dis- tillée, et un récepteur téléphonique. J’ai employé

aussi un voltmètre électrostatique qui indiquait d’une

manière approximative la différence de potentiel entre

les électrodes.

Dans le grand nombre d’observations que j’ai faites

avec ce dispositif, j’ai fait varier la force élcctromo- trice, la distance entre les électrodes, la capacité en

dérivation avec le tube, et la résistance en série avec

le tube et les accumulateurs.

Prenons d’abord le cas où l’on fait varier le poten- tiel, en conservant la résistance et la distance entre les électrodes constantes, en l’absence de capacité en

dérivation. Par exemple, avec une distance de 6 cen-

timètres entre les électrodes, si on augmente la ten-

sion par degrés de 100 volts à la fois, la décharge

commence à partir de 600 volts. Cette décharge

a

l’apparence caractéristique des décharges à cette pres-

sion, avec les espaces obscurs de Crookes et de Fa-

raday, et la colonne positive ordinaire. Avec 700 volts, la lueur est plus intense, le courant indiqué par le

galvanomètre plus grand, sans d’ailleurs aucun autre

changement. A 800 volts, au contraire, il se produit

unc modification brusque dans l’apparence de la dé- charge, et en même temps le téléphone accuse un

son. Les deux colonnes lumineuses déjà en évidence

s’affaiblissent un peu, et on constate une autre gaine qui entoure la cathode comme une auréole à environ 1 centimètre de distance. Cette troisième gaine est aussi

forte derrière la cathode que devant, tandis que la

gaine négative ordinaire l’est seulement devant la cathode. Elle est facilement déviable par un champ magnétique, et le sens de la déviation indique l’exis-

tence de centres négatifs produits derrière la cathode.

Les lignes courbes suivies par

ces

centres s’expliquent

en

supposant que le libre parcours des centres iiéga-

tifs est encore petit, qu’ils produisent d’autres centres

par choc, au bout de chaque parcours, et que cette chaine de petites trajectoires se courbe, suivant

les lignes de force qui se dirigent vers la face posté-

rieure de la catllodc. Il me faut insister sur ce que cette production des électrons à la surface postérieure

est inséparable, dans

mes

recherches, de la produc-

tion du son ; si on détruit cette décharge anormale

par un champ magnétique suffisamment intense, le

son disparait en même temps. La luminosité de cette

auréole croit anec lintcnsité du son, et arrive a presque éteindre la décharge ordinaire. Ainsi la théorie qui explique le son doit en même temps expliquer les variations dans l’apparence de la dé-

charge.

En général, le son ainsi produit est un son clair et

souvent d’une fréquence pénible à écouter. Mais au débuta quand la tension est a peine assez élevée pour

produire le changement dans la décharge, au lieu

d’un son pur, on

a

des pulsations lentes et séparées,

en synchronisme avec la décharge qui varie entre les

deux espèces déjà décrites. En augmentant le voltage,

le son devient de plus en plus clair et aigu. J’ai trouvé

presque deux bammes complètes en variant le vol-

tage entre 800 et 2400 volts. A partir de 2400 volts

environ, on n’entend plus rien, et la décharge devient

très intense. Dans la théorie qui suit, j’ai essayé de

démontrer qu’il devait exister deux limites de tension

entre lesquelles seulelnent la discontinuité peut exister.

Les valeurs du courant obtenues dans le cas précé-

dent suivent une courbe régulière, et de la forme générale qu’on trouve dans les décharges analogues mais, au molnent le son commence, il y a une dis- continuité dans la courbe qui se prolonge au-dessous

de la courbe ordinaire, comme le montre la figure 1.

Si l’on fait varier la distance entre les électrodes,

Fig. 1.

on trouve que, pour amorcer la décharge, la distance

explosive suit la forme caractéristique de la loi de Paschen. La tension nécessaire pour produire le

son

suit aussi une courbe semblable, mais les deux courbes ont des minima qui correspondent aux dit1’é-

rentes positions de la cathode. Dans la figure ’2, on

voit que, dans le premier cas, le minimum explosif correspond u une distance d’environ 7 centimètres, tandis que l’autre minimum correspond ii 1 ccllti-

mètres. On ,oit aussi que les deux courbes s’appro-

chent quand on diminue la distance, et que, n 3,5 ciii.

il est presque inlpossiOle de produire une décharge

(4)

tranquille ; c’est-à-dire que la décharge a la seconde forme dès le début.

L’cU’et d’une capacité en dériBalioii avec le tube est aussi curieux, et facilite l’explication du phénomène.

Comme

on

peut le prévoir, cette capacité ne produit

aucun cn’et quand la décharge est tranquille, mais, quand on entend le son, on trouve une variation de

l,,ig. 2.

l’intensité de la décharge qui dépend de la distance entre les lames du condensateur, et (lui devient plus

brillante quand on augmente la capacité. L’intensité du son varie d’une façon analogue, mais sa fréquence

passe par des maxima et minima suivant l’augmen-

tation graduelle de la capacité. Je n’ai pas utilisé de

grands condensateurs, lnais, en général, si on aug- mente la capacité, après deux maxima et un mini-

mum, la fréquence semble diminuer constamment.

Ceci concorde très bien avec l’hypothèse, déjà posée,

que l’effet d’un condensateur sur la décharge alter-

native est due à une résonance entre la fréquence du champ, et une autre fréquence qu’on peut faire varier

avec la valeur de la capacité.

Pour comparer le courant tranquille au courant interrompu à la même tension et à la même distance

entre les électrodes, j’ai eu recours au champ magné- tique transversal a l’axe du tube. Avec un champ très

faible et près de la cathode, on peut rendre la décharge tranquille, sans autre changement du dishositil’. Le

tableau ci-joint donne les résultats pour plusieurs dis-

tances entre les électrodes, ct montre la différence très

appréciable entre le courant tranquille et le courant

variable. On voit due cette différence tend vers zéro,

aux

positions de la cathode oit le son commence

au

même voltage que la décharge.

Naturellement le galvanomètre indique une valeur

du courant plus petite que le maximum de chaque période, et quand la décharge est interrompue on

attend que la déviation soit réduite, comme on le

trouve dans l’expérience.

La théorie dont j’ai indiqué déjà les traits géné-

raux 1. s’appuie sur la valeur de la capacité d’un tube

de Geissler (voirYilIard, « Les rayons cathodiques )),

p. 30).

Il s’agit de charger, et puis de décharger cc con-

densateur u travers le gaz entre les électrodes,

ou

armatures du condensateur.

Comme nous le verrons, ce phénomène se répète

d’une manière régulière avec une fréquence qui dépend

des valeurs du voltage, de la capacité, etc....

Pour fairc le calcul, représentions le tube comme

une capacité en dérivation sur une grande résistance,

cette résistance étant la valeur de V I quand la décharge

passe dans le gaz.

Soient :

E, la force électromotrice des accumulateurs ; 11, la résistance extérieure du circuit ;

r, la résistance en dérivation avec la capacité ; l, le courant dans le circuit principal;

1,., le courant qui charge la capacité;

ic, le courant qui passe par la résistance r;

C, la capacité du tube;

V, la différence de potentiel entre les électrodes ;

E , la différence de potentiel minimum pour que la

décharge passe dans le tube.

On a évidemment,

et au bout d’un tCll1pS t

Le rapport V I = r n’est pas constant, mais, comme

nous le verrons, les variations de I sont probablement comprises entre des limites assez rapprochées, et sans

erreur appréciable, nous pouvons regarder

r

comme

constant.

Éliminons V entre (1) et (2), nous avons

’1. Comptes Rendus, 21 mui 1909.

(5)

expression dont la dînèrent ielle est

L’intégral est de la forme Ieat = b a eat + C oit a et b

sont connus. Nous pouvons trouver C en posant

1

=

E-V1 R, quant 1 - o d’où nous tirons la valeur de

Il est aussi intéressant de chercher le temps néces- saire pour charger C d’un potentiel Y, à uii autre Vo.

Cette quantité est facilement déduite de (5) en résol- pour et prenant la différence entre t, et l0 qui correspond à V1 et Y,. Nous avons ainsi :

Un régime permanent s établira quand 1 oo et le

courant permanent I oo = E-e r+R comme on le sait à

priori. Mais pour expliquer les variations de 1, il lant supposer, qu’avant l’établissement de ce régime,

i-

change brusquement a une autre valeur r’ plus petite

que r qui correspond al

un

certain potentiel du « con-

densateur » que j’ai déjà appelé Vo . Cette constante dépend des conditions du tube, du gaz, etc., mais sa

signiflca tion précise n’est pas encore très claire.

Dès cet instant la capacité commence à se décharger,

et l’on peut faire un calcul analogue au llrécédent,

en posant cette fois ir = I + ic, et, quand T = O,

I = E-V0 R.

Le courant de décharge I’ est donné par la même expression, mais il faut écrire j-’ au lieu de 1’1 et V,

pour V,. T’ de la décharge entre Vo et Vi a une expression comme T, avec la seule différence que

i-

c.t changé en rB

Dans la valeur de I’, si l =

oo

on trouve

I’ oo = E-e r’+R’ mais dans ce cas aussi je suppose

que le courant n’atteint pas cette valeur, et quand lc po- tentiel est tombe à V1 et I = E-V1 R, la résistance doit

reprendre sa valeur initiale.

Il y a maintenant une seconde période de charge,

et ainsi de suite. Le courant 1 de charge a une valeur décroissante, et I’ croissante avec le temps, ce qui est

évident d’après (3), oil la quantité entre parenthèses

est positive

ou

négative sniBaut que V est plus petit

ou

plus grand que Er+Re R+r.

Les limites de 1 entre lesquelles il varie périodi-

quement sont, comme j’ai indiqué, E-V0 R et E-V1 R,

et

ces

limites sont elles-mêmes comprises entre

d’autres limites I oo et I’ oo. De ces inégalités il s’en- suitque

cette expression est intéressante parce qu’elle montre

que la tension qu’on emploie dans les expériences

doit se trouver entre deux limites pour que le son soit produit.

La limite infçrieure est très évidente, et est en général dilférentc du potentiel e:Bplosif, mais l’autre limite est moins facile à mettre en évidence, parce

que le son peut dépasser la région d’audition et exister toujours, même avec les voltages supérieurs à

ceux que j’ai employés quand je n’entendais plus rien.

La figure 5 montre schématiquement la forme du courant supposé dans les limites et la manière dont elles influencent la valeur de la période. Ce courant

Fig. 3.

peut être considère comme l’addition de deux courants, dont l’un est uniforme, et l’autre varie entre des maxima égaux et zéro. L’apparence de la décharge, quand la fréquence était petite, justifie cette repré- sentation, parce qu’une partie de la lumière (la partie paraissant avant le début du son) restait immo- bile, tandis que l’autre partie variait entre des

maxima, et des extinctions complètes.

Une autre confirmation de la théorie se manifeste par l’équation (4). L’expression logarithmique est toujours plus grande que l’unité parce que V, est plus petit que V0 ; ainsi il est évident qu’en augmen- tant E, T doit diminuer et tendre vers zéro, quand la

f’raction tcnd vers l’unité. Ceci concorde avec les faits. Par exemple, avec une certaine disposition des électrodes, j’ai pu jouer avec la décharge une approxi-

mation à l’accord majeur (CEGC) quand E aBait les valeurs 1200, 1500, 1400 et 1500 volts successive- ment.

Un accroissement de C devait aussi prolonge la période suivant l’équation (4). L’expérience Béritie la

théorie dans ce cas, si la capacité n’est pas trop petite, mais comne j’ai déjà indiqué, en ajoutant de

la capacité, la fréquence au début passe par des maxima et des minima non pre’Ul· par la théorie.

Si l’on augmente la résistance extérieure, 11, la

(6)

période

se

prolonge,

ce

qui est encore une confirma- tion, parce que l’expression logarithmique de (4) augmente aBec B, et le coefficient encore plus rapide-

ment.

Il est plus difficile de faire un accord entre le cal- cul et les indications du galvanomètre, toutefois je l’ai essaie en dérivant une expression pour le courant

efficace, quand celui-ci varie de la manière supposée.

Sans reproduire tout le calcul, on trouve que le cou- rant efficace [1] pendant la charge = K2 + 2KK’

où li, iL’ ct a sont des

quantités constantes dépendant de E, C, B, etc., T est la période et e la base du système népérien.

Quand T tend vers 0, [1] tend vers (K+K’)2, ci

aux

limites, on dérive, en substituant pour K ct K’,

[I] = E-V1 R. Aussi pendant la décharge [1’]

E-V0 R. La valeur moyenne de ces deux courants est

E R - V0+V1 2R qui est assez précise, quand la fréquence

est grande. Reprenons maintenant l’expérience

où le son était détruit par un champ magnétique, le

courant indiqué par le galvanomètre augmente. Or

si on admet que V, est la chute de potentiel entre les

électrodes quand le courant est continu on a pour ce courant

E-V1 R> E R - V0+V1 2R, il qui est encore, une

yÓrif1cation au moins llualitatire de la théorie.

Il reste à expliquer pourquoi le phénomène sc pro- duit comme si la valeur de r changeait brusquement

quand le champ dépasse une certaine limite. Si on

accepte les résultats de Capstick qui trouve le son plus

facilement avec des mélanges de gaz, on peut suppo-

ser une espèce d’hétérogénéité dans la conductibilité des mélanges une seconde composante devient

ionisée à partir d’un champ plus intense que la pre- mière. Mais je crois plutôt qu’il s’agit des conditions

doiit les électrons sont libères a la surface de la cathode.

L’auréole qui entoure la cathode quand la disconti-

nuité commence, est sépar(2c de cette électrode par un espace obscur nettement plus étroit que celle de la

gaine négative ordinaire; elle a l’air aussi d’être plus

déformable dans un champ magnétique. Toutes ces

circonstances amènent a l’hypothèse très tentante,

qu’à partir d’une certaine valeur du champ, il y a un

changement dans la façon dont sont émis les centres négatifs, dn peut-être à une destruction partielle de

la couche double à la surface cathodique. On est

encore si loin des conditions de l’arc, qu’il est peu

probable que l’effet Edison puisse intervenir pour

expliquer cette émission plus facile par la cathode ;

mais en tout cas il semble qu’un phénomène un peu analogue au changement cnirc la décharge ordinaire

et l’arc a licu, et donne naissance aux variations

périodiques du courant.

Comme conclusion je veux exprimer mes remercie-

ments les plus siucères à 3J. Lippmann pour son lios-

pitalité au laboratoire de rcchcrches ; à M. Bou!y et a

M. Déconlbes pour avoir mis à ma disposition la grande

batterie d’accumulateurs, et à M. Pellat pour ses con- seils très ali caux.

[Reçu le 20 août 1909. ]

Observation faite parallèlement aux lignes

de force des dissymétries d’intensités

et de positions des composantes magnétiques

de quelques raies d’émission

Modification de la longueur d’onde moyenne des composantes

sous l’action du champ magnétique.

Par A. DUFOUR

[École Normale Supérieure.

-

Laboratoire de physique.]

1.

--

Étude des intensités des composantes.

Décompositions symétriques. - L’étude des

modifications subies par les raies spectrales dans un champ magnétique a montré que, le plus souvent

une raie fournit un certain nomhre de composantes,

dont les intensités et les places dans l’échelle des fré- quences admettent

un

axe de symétrie qui, jusqu’ici,

a paru être presque toujours la raie primitive elle-

même. Pour ces raies à décompositions symétriques,

l’étude du phénomène de Zeeman, faite parallèlement

ou perpendiculairement au champ, a toujours fourni,

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