HAL Id: jpa-00242372
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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�
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)
ausujet 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
sesconseils.
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
unpeu grossières de Faraday. Capstick 2
aindique 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
cesobservations. 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
ades 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,
cequi me semble nécessaire, si on
veut mettre en évidence une discontinuité duc seule-
ment à l’ampoule et
augaz qu’il contient.
L’étude que j’ai faite de
cephénomène, 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
surdeux 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
mesuis
1. C. R., 128 (180D) JJ1,
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01909006010029401
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
al’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
cescentres 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
mesrecherches, 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
ades 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 où 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
sonsuit 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
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
onpeut 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
aumême 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,
ouarmatures 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
rcomme
constant.
Éliminons V entre (1) et (2), nous avons
’1. Comptes Rendus, 21 mui 1909.
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
uncertain 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 =
ooon 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
ounégative 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
ceslimites 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
période
seprolonge,
cequi 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