HAL Id: jpa-00234074
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Action d’un champ électrostatique sur une surface de
mercure
F. Bertein
To cite this version:
ACTION D’UN CHAMP
ÉLECTROSTATIQUE
SUR UNE SURFACE DE MERCURE Par F. BERTEIN.Compagnie
Générale deTélégraphie
sans fil.Sommaire. 2014
On étudie le comportement d’une surface de mercure
soumise
à un champ électrique constant. On montre que si ce champ est suffisamment intense les forces de pression électrostatiqueprovoquent une rupture d’équilibre qui doit influer de façon décisive sur les phénomènes de décharge
tels que « l’émission froide » du mercure dans le vide.
On
imagine
communément la surface libre S d’unliquide
au repos comme formant unplan
parfait,
abstraction faite toutefois de la zone avoisinant les
parois
durécipient,
déformée par lesphénomènes
capillaires.
Enréalité,
Sprésente
des écarts parrapport
à laplanéité
en raison del’agitation thermique
des
particules
liquides.
Lephénomène
peut
êtreanalysé
à l’aide des lois fondamentales de laméca-nique
statistique.
Ilest,
d’autrepart,
mis en évidenceexpérimentalement
par l’étude de laré f lexion
de la lumière sur S : on observe à côté de la réflexionclassique
une réflexion diffuse due à desaspérités
à l’échelle
microscopique
ousubmicroscopique
[i].
L’émission
électronique
d’unesur f ace
de mercure sous t’action dechamps électriques
intenses dans le vide(«
émission froideo}
conduitégalement
à des résultats très différents de ceux que l’on attendraitde la
part
d’une surfacemétallique plane
[2];
onconçoit
qu’ici
les forces depression électrostatique
interviennent pouramplifier
les déformations. Nousnous proposons d’examiner ce
phénomène
pour unesurface de mercure soumise à un
champ
uniforme et constant dans levide,
ensupposant
qu’il n’y
ait pas eu amorçage
préalable
d’unedécharge
par ionisation de la vapeur. On se bornera à l’étude despetits
mouvements : autrementdit,
il estpossible
que les calculss’appliquent
seulement au début du processus,phase
réunissant les conditions suivantes :Élongations
et vitesses desparticules
assez faiblespour
qu’on
puisse négliger
leurscarrés;
Surface S presque
plane partout,
c’est-à-direpente
faible et rayons de courburegrands
vis-à-visde
l’élongation
enchaque
point
(on
ne tiendra pascompte
de l’effet deménisque
du mercure au voisi-nage desparois).
Tonks a calculé
approximativement
les conditionsde
rupture
par lechamp
électrique
pour une surface Sprésentant
initialement une bossesphérique
[3];
sesrésultats
présentent
un bon accord avec ceux que nousétablirons
ici defaçon
plus générale.
1.
Expression
duchamp
électrique
super-ficiel. - Soit z=
~(xy) l’équation
de la surface libre S à un instantdéterminé,
rapportée
à unsys-tème d’axes
rectangulaires,
Oz étant vertical.( fig. i).
Lechamp
estappliqué
à l’aide d’une électrodeplane
parallèle
située enregard
à la distanced;
soit Esa valeur dans la
région
où il estuniforme;
la1
Fig. i. - La ligne ondulée voisine du niveau ~0,~
limite une portion de la surface S.
détermination de la
pression
électrostatique
s’exer-çant
sur S nécessite d’abord la connaissance duchamp superficiel
F (xy)
en toutpoint
(xy)
de S. Onpeut
écrire en vertu des conditions admisesF = E (i
+2); -e
est un terme correctif fonction de xy,dépendant
en fait de la formeglobale
de
S,
c’est-à-dire de lafonction ~(xy).
On posera pour cette raisond’où
le
symbole Y
définit unopérateur
dont nous allons déterminer lespropriétés.
’L’opérateur 5
est linéaire. ® Prenons E = 1 poursimplifier
l’écriture. La loi depotentiel
au-dessusde S est de la forme
où v est infiniment
petit.
L’équation
de lasurface
S353
qu’on
peut
supposer aupotentiel
0,
s’écrit dans cesconditions :
z =
et lechamp
superficiel
estDans le deuxième membre de chacune de ces
relations on
peut
remplacer z
parzéro;
eneffet,
on commetainsi,
dans lapremière
une erreurz dç,
qui
est du 2eordre,
donc ànégliger;
de même en cequi
concerne la seconde. Revenant aux notationsinitiales on voit
qu’il
en résulterelations
d’après lesquelles
si ~ (xy)
est unecombi-naison linéaire de fonctions
~1
(xy),
...,51(xy)
apparaît
sous forme de combinaison de mêmescoefficients
, En d’autres
termes,
tf est unopérateur
linéaire. Cettepropriété apparaît
naturelle,
du faitqu’il
s’agit
d’un terme correctif infinimentpetit;
maisa
priori
ce dernier caractèren’impliquait
pasnéces-sairement la
linéarité,
lacorrespondance pouvait
êtrequadratique
ouplus compliquée
encore.Détermination de Y pour des surfaces S particu-lières. - Nous achevons de déterminer
l’opé-rateur 5 en le calculant pour une série de cas
parti-culiers. - Soit E
= I, on vérifie aisément que les fonctions suivantes fournissent des distributions de
potentiel possibles
’
Les
fonctions s (xy) et 3i s (xy)
associées sontsuivant
(2)
autrement
dit,
onpeut
écrire alorsIl est clair que
(4)
est encore valable pouret,
parsuite,
pour les diverses combinaisons linéairesdes fonctions
précédentes
telles quep étant défini par
(3).
Si l’on considère
l’opérateur
..ces mêmes fonctions vérifient
Autrement
dit,
les relations(4)
et(5)
s’entraînentmutuellement.
Si l’on
parle
lelangage
de la théorie desopéra-teurs, 5 et à ont les mêmes
fonctions
propres.S pour une surface S quelconque. -
Étant
donnée une S
d’équation z
=~(xy)
quelconque,
nous pouvons maintenant déterminer
5--~;
nousdéveloppons
parexemple ~
en série de fonctionstrigonométriques lesquelles
constituent un «système
complet
» et en vertu de la linéarité nous sommesainsi ramenés aux relations
(4)
valables pour chacune de ces fonctions.2. Les
équations générales
duproblème.
-Conventions et notations. - Onsupposera le
mercure contenu dans un vase de forme
parallélé-pipédique
et de section horizontalecarrée;
les notationsadoptées
sont rassemblées dans la liste suivante :l,
longueur
du côté de cettesection;
a,
profondeur
duliquide;
.d,
distance entreélectrodes;
xOz,
yOz, plans
de deux desparois
verticales;
z = --- a,plan
contenant le fond du vase;z
== ~(~/0, équation
de la surface libreS,
lavariable 1 étant maintenant mise en évidence
(~
= o dans le cas du reposparfait);
P
(xyt), pression
en unpoint
de S(du
côté intérieur auliquide);
11(xyzi),
potentiel
des vitesses dans leliquide;
E,
champ électrique appliqué;
intensité du
champ
surS;
g
= g8i
I C. G. S. accélération de lapesanteur;
? = I 3,6 » masse
spécifique
du mercure;A
= 4~0
» constantecapillaire;
ï. = 3,9.10-12
» coefficients decompressi-bilité ;
Yj
= 0,016
» coefficient de viscosité. Nous utiliserons desfonctions
propres desopéra-teurs 6. et 57
formant
unsystème complet,
c’est-à-diresusceptibles
de fournir ledéveloppement
de touteElles vérifient
Pour
simplifier
nous écrivons p, mais la notationà
adopter
devrait être pmn pourrappeler
le fait quece nombre
dépend
de m etn).
Une
représentation graphique
connuepermet
lerepérage
destfmn
etla
détermination des valeurscorrespondantes
de p. Onporte
sur unplan
rapporté
à un
système
d’axesrectangulaires
tous lespoints
IVE d’abscissesmTT
et d’ordonnéesnTT ;
ils forment les d’abscissesl
et d’ordonnées1 ;
ils forment les noeuds d’un réseau à mailles carrées et sont liésbiunivoquement
aux fonctionsY,n,z ( f g.
2),
la valeurFi g. 2.
de p attachée à chacun est
simplement
p == OI1~. Lesystème
desrfmn
est d’autrepart
orthogona~
efnormé,
c’est-à-dire tel queL’étude ultérieure sera
fondée
sur les cui-actèresessentiets
(8)
et(9)
denon
sur leurexpression
particulière
elle-même(7).
,Dans le cas oû le vase serait
toujours
cylindrique
mais non
plus
de sectioncarrée,
il faudrait faireappel
à un autresystème
~m,2
ainsi que nous le verronsplus
loin sur unexemple;
leséquations (8)
et(9)
étantsauvegardées,
l’études’appliquerait
sansmodifications.
Observons encore que la deuxième relation
(8)
s’applique
en touterigueur
à des fonctions s’étendantà tout le
plan
x0y ;
dans le cas actuel où leur domaine d’existence est un carré decôté 1,
on verrait que la relation en J n’estqu’approchée
pour les valeurs de p lesplus
faibles;
la suite montrera que ces valeurs nejouent pratiquement
aucun rôle. Cette même relation pourra d’autrepart,
être absolument endé f aut
auvoisinage
desparois
verticales du aase :le mercure ne
peut
y être considéré commeplan
et le champ
n’y
est pas uniforme. Cettequestion
sera examinée à la fin de l’étude.
Les calculs sont établis en unités C. G.
S.,
saufen ce
qui
concerne lechamp électrique qu’on
évaluera en kilovolts par centimètre(il
suffit à cet effet deremplacer E par
(5)
E dans les relations obtenues, J /
en C. G.
S.).
,
Équations
des petits mouvements. - Onassimi-lera tout d’abord le mercure à un fluide
parfait
(mouvement
irrotationneo,
incompressible,
les influences de lacompressibilité
et de la viscosité étantenvisagées plus
loin.Dans ces conditions la vitesse de la
particule
liquide
aupoint
(xyz)
est donnée, àpartir
d’unpotentiel
de vitessesIT(xyzt),
pargrad
II. Leséquations
sont les suivantes :En tout
point
duliquide :
En tout
point
de S :Ces
équations
traduisent les lois del’hydrodyna-mique
[~~];
P(xyt)
.dési~ne
enparticulier
la
pression
intérieure en un
point
de S et la relation(13) exprime
que P est la somme despressions capillaire
etélectrostatique.
3. Les solutions fondamentales Le
systèmes
deséquation
précédentes
est linéaire à coefficients constants : F2 dans(13)
feraapparaître simplement 5
en vertu d’un
développement
limité au 1er ordre.Ce
système comprend
des termeshomogènes
parrapport
aux fonctions inconnues et aussi un terme constant dans(13).
Onignorera
cedernier,
car il est clair que son introduction se traduitsimplement
par l’addition au
potentiel
desvitesses,
d’unecons-tante sans effet
physique.
Enconséquence
et’compte
tenu de(6), (13)
devisent :
Il est commode dans ces conditions de rechercher des solutions
particulières
de la formeoù X YZ T sont des fonctions de
xyzl
respectivement;
on essaiera des fonctions XY sinusoïdales de
façon
à provoquer l’intervention des
1
Conditions aux limites et
équation
(10).
- Lesconditions aux limites sur les
parois
verticales355
fournissent
et Z est alors déterminé par
(10)
et par la conditionaux limites sur le fond
On écrira pour des raisons de commodité
T= à,,i,,(1)
(le point désignant
la dérivation parrapport à
t),
d’où en faisantappel
à la notation(7),
Équation (11).
- De(11)
ondéduit ~(~);
sil’on pose z = o dans
2013
(erreur
du 2eordre)
Équation (14).
-(14) explicite
alors la pres-sion l’(xyt)
Équation
(12).
-En y substituant
II, ~,
P par leurs valeurs(15), (16), (17),
cetteéquation
donne enfin la relation suivante déterminantu(t)
On
peut prendre
enconséquence
u,,,,,(t)
== ex’(on
devrait en fait écrire (X’Jlll et nona),
(X étant solution deSignification physique
de(19) :
conservation deisénergie.
- Cherchonsl’expression
de cettecon-servation pour la masse de mercure;
l’énergie
cinétique
totale estEn tenant
compte,
d’unepart,
de l’identitéet,
d’autrepart,
de la relation(10)
et des conditionsaux limites du
champ
grad
IT,
nous en déduisonsc’est-à-dire en vertu de
(15)
Il est inutile de calculer
l’énergie
potentielle
th,
duliquide;
la conservation del’énergie exige
eneffet que l’on ait
c’est-à-dire
d’après (20)
Or,
si l’onexplicite Up
on obtient trois termes contenantrespectivement
les facteurs d’action g,A, E,
d’où uneéquation
entre les deuxparamètres
ocet p. Si l’on se
reporte
à(19),
il est clair que l’équa-tionactuelle,
nepeut
en être différente.(19) exprime
doncsimplemerit la
conservation del’énergie (au coelficient
1 C( e-20153tprès).
P«
Influence de la
compreèsibilité
du mercure. - Si l’ontient
compte
de cettepropriété, l’équation (10)
est àremplacer
par la suivante :la résolution conduit sans difficultés à
l’équa-tion
(19)
où l’onremplace
dans lepremier
terme p parB/ p2 -
en raison de lavaleur Zp =
5,3.
Io-11 on voit que lacompressi-bilité du mercure n’interviendrait que dans des
’
mouvements très
rapides
que nous n’aurons paspas lieu
d’envisager.
Correction introduite par la viscosité. -- La
visco-sité du mercure fait
disparaître
en l’unité detemps
uneénergie mécanique
[5]
c’est-à-dire en raison de
(15)
de sorte que la conservation de
l’énergie
s’écrit alorsUp
et Ucgardent pratiquement
les valeurs calculées de sortequ’il
s’agit
de(21)
modifiée par le termeU~;
conformément à une remarque
précédente,
c’est-à-dire avec les valeurs
numériques
4. Discussion des divers mouvements. - En
conclusion. des évolutions
possibles
pour la surface libre S sont données parce
pouvant d’après
(22)
prendre
deux valeursdis-tinctes,
c’est-à-dire fournir deux variations pourchaque
Les
phénomènes dépendront
essentiellement dusigne
del’expression
D(p E).
Nous supposerons tout d’abord d = oo(coth
pd
=i)
etdésignerons
par p~, p, les racines del’équation
D(pE)=o.
9?Ù
>Ce sont des fonctions de
E;
soitEo
la valeur de E pourlaquelle
pi, p, sontconfondues,
po leur valeurcommune dans ces
conditions
Il existe deux cas à considérer en
fonction
des valeurs affribuées auxparamètres
p,E;
on observeque la viscosité intervient dans (x, oc’ à la
façon
générale
des facteurs d’amortissement. Premier cas. -E2 >
Ei
et pi P p2.D
(p E)
> o ; ex et ce’ réels designes
contraire déformationsexponentielles
de la surface libre. « > o définit une déformationcroissante,
c’est-à-direune
rupture
del’équilibre
du mercure, oc’ o définit unmouvement amorti aboutissant à
l’équilibre ~
= o. Deuxième cas(complémentaire).
- E2>E2
et p extérieur à l’intervalle ouE2 E~~ .
D (p E)
o; oc et «’ soitcomplexes,
soitréels,
etnégatifs.
Évolutions,
soitexponentielles,
soitoscillatoires,
mais
toujours
detype
amorti aboutissant àl’équi-libre §
= o.Cas intermédiaire. --- D
(p E)
® o ; o. Onobserve ainsi une solution
particulière
statique :
~
=§mn(xy)
représentant
unéquilibre
différentde ~
= o; l’autre solution est amortie,Représentation- graphique.
- La courbe définiepar
(25) partage
leplan (p E)
en deuxrégions
corres-pondant
respectivement
àchacun
des casenvi-sagés
(fig. 3).
Fig. 3.
Le tracé en est aisé si l’on remarque que
On
peut envisager
au lieu de p lalongueur
d’ondegéométrique
de la déformation 1. == à po enP
particulier correspond Jo ==
I, cm.La
justification qualitative
des résultatsprécédents
est aisée : les deuxf acfeurs
tensionsuperficielle
etpesanteur
tendent à maintenirl’équilibre
dumercures = o. Le
champ électrique
mani f este
latendance inverse du fait que la
pression (on
devrait dire latraction) électrostatique
estplus
forte surles
parties
convexes que sur lesautres; il
neparvient
à rompre
l’équilibre
que s’il estsuffisamment
intense et si lalongueur
d’onde de ladé f ormation
n’est nitl°op
f aible,
nitrop
grande,
sinon lesphénomènes,
soitcapillaires,
soit degravitation
sontrespectivement
prépondérants
etimposent
leurstypes
propres d’oscil-Iations amorties.Si l’on lieret
compte
de la distancefinie
d,
séparant
les électrodes et intervenant danscothpd
seuls sontchangés
lesphénomènes
correspon-dant
à des valeurs de p de l’ordre auplus
de
m et
n auplus
de l’ordrede 1 ).
On areporté
en tirets sur lafigure
3, laligne
desépara-tion D
(p E)
= o dans le cas d == 2 mm; lechamp
critique
est alors non pasEo
=75
kV,
mais sensi-blement 55 kV etcorrespond à
p = o.Il
s’agit
là de différences dénuées d’intérêt pourla suite.
5.
Évolution
de la surface S dans le casgénéral.
- La solutionsuper-357
position
àpartir
des solutionsparticulières qu’on
vient de définir : la surface libre S évolue suivant la relationoc et oc’ sont
f onctions
de p suivant(24),
etClnn
sont des coefficients
numériques
déterminés par des conditions de réalité et les conditions initiales : forme de S et vitesse d’évolutionpour 1
=o, ce
qui
estpossible
car les constituent lesystème
complet
des fonctionstrigonométriques
adaptées
aux conditions aux limites sur les
parois.
1
L"évolution de S est donc un mouvement amortisauf si
E estsuffisamment fort (E
>Eo =
75 kV,
si d =
oo)
et s’il’existe àl’origine
dans le «spectre
» de p des valeurscomprise
entre certaines limites(p, P2) :
dans ce dernier cas lescomposantes
correspon-dantes
Cmn tfmn eXL
1s’ampIi fient exponentiellement (le
cas où o mais c"2n = o
correspondrait
à desconditions initiales
trop particulières
pour être effec-tivementréalisé).
Stabilité
d’équilibre
du mercure au repos. -Envi-sageons le mercure au repos au sens
physique
du terme; s’il arrive que les dimensions du vase
permettent,
en vertu de(’l)
l’existence de valeurs de pcomprises
entre pi et p,(point représentatif
dans la zonehachurée
de lafigure 3),
ces valeurs existent effectivement en raison des mouvementsthermiques
et,
du fait de leuramplification, l’équilibre
est instable.Supposons
à titred’exemple
E = ioo cm; on trouve-ce
qui
donne leslongueurs
d’onde À =o,35
et3,9
cm.Le mercure sera
toujours
enéquilibre
instable s’ilexiste des valeurs de p
possibles comprises
entre pl et p,,c’est-à-dire,
comme le montre lareprésen-tation
géométrique
(fig.
2),
si 1 > 0,17 cm.Plaçons-nous
dans le cas del’équilibre
instable;
leséquations
obtenues nepeuvent
alorss’appliquer
que tout au début du processus
(approximation
des«petits
mouvements»~.
Lathermodynamique
permet
deprévoir qualitativement
la suite de l’évolution : le mouvementprend
uneamplitude
tellequ’une
décharge
s’établit nécessairement entre le mercure et l’électrodeopposée (décharge
soitélectronique,
soitsimplement
par contacts degouttelettes
oud’oscil-lations).
Cettedécharge,
continue ouintermittente,
se
poursuit
tant que subsistent les conditionsd’équi-libre instable : elle ne
peut
cesserqu’à
la faveur d’un abaissement de E ramenant lespoints figuratifs
des mouvements dans la zoned’équilibre
stable.S’il n’en était pas
ainsi,
eneffet,
nous aurions lapossibilité
de réaliser le mouvementperpétuel
du mercure à l’aide decharges statiques
fourniesune fois pour toutes aux électrodes et suffisante
pour créer un
champ
assurant l’instabilité.6. La
phase
transitoire d’établissement duchamp.
-Reprenons
l’exemple
numé-rique
E = Ioo kv : cnx etenvisageons
pour fixer les idées un mouvement associé à p ~ 1 ocm-1,
c’est-à-dire
correspondant
à peuprès
au milieu du domaine d’instabilité(pl p2) ~
Le coefficient oc
correspondant
est,
si l’on suppose a, d i i mmL’amplification
se traduit ainsi parl’exponen-tielle
e15ut;
enl’espace
de1/; oe
de seconde lesélonga-tions sont
multipliées
par un facteur de l’ordrede 3. 1 ol. Bien que le
champ
I oo kV : cm ne soit pas tellementsupérieur
à la limiteEo
=75
kV : cm,on voit que la
rupture
d’équilibre
s’effectue à unevitesse considérable et le calcul montrerait aisément que cette vitesse
augmente
rapidement
pour des valeurs croissantes de E. Onconçoit
bien que même si seulespréexistent
les oscillationsthermiques
d’amplitude
trèsfaible,
ces oscillations conduisentà une
rupture
d’équilibre
presqueimmédiate;
cepoint
seraprécisé
ultérieurement.On voit de
plus, qu’il
ne sera pastoujours possible
d’admettre que
l’application
duchamp
Es’effectue
instantanément : la durée durégime
d’établissement de Epeut
être relativementgrande
en raison de l’existence d’une résistance deprotection
élevéedisposée
sur le circuit et de cefait,
l’état du mercureest
susceptible
de varier notablement durant cettephase.
L’étude de cephénomène
transitoire mettoujours
enjeu
lesystème
d’équations (10),
(11),
(12),
(14);
il luicorrespond
encore des solutionsparticulières
(16); Umn(t)
est solution del’équation
différentielle(18)
danslaquelle
E est maintenant/ t
une fonction de 1. Si l’on
prend
on
peut
montrer que lesu"2,t (t) s’expriment
à l’aide de fonctions de Besselcomplexes.
,(A
suivre.)
Manuscrit reçu le 5 janvier 1948.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] MANDELSTAM, Ann. der Physik, 1913, 41, p. 609; GANS,
Ann. der Physik, 1924, 74, p. 231; 1925, 77, p. 317. [2] BEAMS, Phys. Rev., 1933, 44, p. 803; QUARLES, Phys. Rev.,
1935, 48, p. 260; MOORE, Phys. Rev., 1936, 50, p. 344.
[3] TONKS. Phys. Rev., 1935, 48, p. 562.