MÉCANISME DE L'EFFET BECK

Après avoir exposé les faits constatés ou extraits des travaux publiés, il convient de les utiliser pour essayer de comprendre le mécanisme de l'effet BECK.

Le fait de minéraliser la mèche d’un charbon supportant de faibles densités de courant augmente fortement la conductibilité de l’arc. Les vapeurs minérales émises alors par la mèche s’échauffent en traversant la zone de chute anodique et fournissent des porteurs par ionisation. La brillance du cratère est abaissée, car la vaporisation et l’ionisation absorbent de l’énergie et contribuent ainsi à diminuer la température de l’arc, et ceci d'autant plus que les matières de la mèche sont plus volatiles ou plus ionisables.

En augmentant la densité de courant, on accroît la vaporisation, et la conductibilité devrait augmenter, c’est ce qu’on constate jusqu’à ur certain point, puis la conductibilité décroît, et les vapeurs anodiques se mettent à rayonner intensément. Il est établi que ce surcroît de rayonnement est dû à une élévation de la température des vapeurs. FINKELN- BURG et SCHLUGE l’ont vérifié par plusieurs voies : application de la loi de STEFAN au rayonnement total, observation du déplacement du À maximum, évolution du Farbindex. :

L'augmentation de la température des vapeurs est due à un accroissement surabondant d’énergie causé par une élévation de la chute anodique dont il reste à expliquer l’origine. La relation entre la chute anodique et le volume des vapeurs sortant de l’anode est frappante. FINKELNBURG et SCHLUGE, dans leur remarquable suite de travaux sur l’arc intensif [72], ont émis une théorie sur l’origine de la chute anodique, d’après laquelle le surcroît de chute de tension accompagnant l'effet Beck est lié à la vaporisation des matières de l’anode. Pour y parvenir, ils établissent le bilan énergétique de la partie anodique de l'Arc [44 fer) :

Soient :

J., l'intensité électronique affluant à l’anode; V., la chute anodique; Vu le travail d'extraction d’un électron.

Les pertes par conductibilité et convection sont négligées. Dans le cas d’un charbon

basse intensité non minéralisé, l'énergie est rayonnée par le cratère, on peut écrire l'égalité

Je Vu + \ = role:

5, Constante STEFAN BOLTZMANN ; T, température absolue du cratère; 4, pouvoir émissif,

Dans le cas d’un charbon minéralisé intensif, le rayonnement dépend du volume de l’arc, et l’énergie apportée doit en plus servir à vaporiser la matière de l’anode. Si Q est l’énergie de vaporisation de la matière de l’anode, T, la température absolue des gaz de l’anode, F le volume de la partie anodique, on a

Je(Vau+ Va) = E5Ti+Q.

Les auteurs calculent qu’en ordre de grandeur la chute: anodique supplémentaire est de l’ordre de 10 V, ce qui est en bon accord avec l'expérience.

Dans un travail ultérieur [22] ils reprennent le bilan. L'énergie apportée par seconde à l’anode (en négligeant toujours les pertes de chaleur par conductibilité, convection, rayonnement, qui sont faibles) doit servir à vaporiser les matières anodiques, échauffer les vapeurs qui en résultent, et causer leur expansion (ro$ fois). Cette énergie sera ensuite rayonnée pour sa plus grande part.

Si À est la quantité de matières vaporisées par seconde à l’anode, laquelle dépend du courant, Q l'énergie de vaporisation d’échauffement et d'expansion, on peut écrire Je(Vau+ Va) = AQ, TOURMENTE es = V;x.

Les auteurs ont déterminé expérimentalement l'allure des lois de variation de Q et de À en fonction de J, d’une part dans le cas d’un charbon homogène, d’autre part dans le cas d’un charbon à méche minéralisée, et ont trouvé :

Charbon homogène ............. OKI ARR Charbon à mèche... ....,..... Q entre KJ et KJ?, À sensiblement égal à KJ°

V devrait donc varier plus vite que linéairement avec J dans le premier cas, et plus vite que suivant le carré de J dans le second cas. Expérimentalement, ils trouvent que dans les deux cas, V, varie comme des puissances intermédiaires entre les puissances 1 et 2 de J, mais que la variation est beaucoup plus forte dans le cas du charbon homogène. La vérification n’est donc que qualitative.

Enfin, dans un troisième travail [35], FiNkELNBURG et ScaLUGE introduisent de nouvelles valeurs :

W, chaleur perdue par conductibilité thermique, convection, rayonnement, qu'ils estiment à 700 W pour le charbon minéralisé de diamètre > mm.

A, usure par combustion, admise comme étant indépendante de l'intensité, Elle est obtenue en extrapolant pour J—0o des courbes d’usure relevées en fonction dé l’intensité J. La valeur est de 0,2 MMS, OÙ 1,2.10 *g:s pour les charbons Ringsdorff ® >; mm considérés. |

Le bilan s'exprime alors de la façon suivante :

JeNa+ Van) = Wa+(A— A5)Q.

J. est estimé égal à J, c’est-à-dire que tout le courant est supposé transporté par les

électrons. V,, est chiffré à 4,5 V pour la température de 4 0000, À est mesuré expérimentalement. Q peut donc être calculé, FINKELNBURG et ScHLuGE donnent les résultats de ce calcul pour trois qualités de charbons intensifs RiNasporrr de ® 7 mm et des intensités de courant variant de 30 à r00 A. Or, les valeurs de Q sont constantes à moins de 7 % près pour chaque charbon. La théorie reliant la chute de tension accompagnant l'effet BECK à la vaporisation de la matière anodique est donc vraisemblable, mais les causes de l’augmentation de la chute de tension restent à trouver. La corrélation entre le volume des vapeurs anodiques et la chute de tension fait supposer que ces vapeurs sont le siège d’une chute importante de potentiel. FINKELNBURG et SCHLUGE, opérant avec une sonde de {4 mm de diamètre dans le cratère d’un charbon de 7 mm de diamètre, n’ont pas trouvé de chute de potentiel sensible dans ces vapeurs [22]. J’ai cependant repris l’expérience à une autre échelle. L’anode, de qualité Orlux 550 diamètre 16 mm, supportait 180 À. La tension d’arc étant de 8o V. La sonde était constituée par une baguette de charbon de 3 mm de diamètre, et les différences de potentiel par rapport à l’anode étaient relevées à l’aide d’un voltmètre de 600 Q de résistance intérieure.

J'ai ainsi enregistré dans l’axe du cratère des potentiels rapportés à l’anode de — 44 V à la limite de la masse de vapeurs anodiques, — 4o V au ras du cratère à 2,5 mm du premier point, et —35 V à environ 2 mm dans l’intérieur du cratère. Le potentiel augmentait encore en enfonçant l’anode vers le fond du cratère. Les valeurs se retrouvaient à r ou 2 V près. Les perturbations apportées par une sonde dans le plasma d’un arc sont bien connues. Dans les conditions de mon expérience, la sonde s’effilait très rapidement et se trouvait réduite à une mince aiguille, de sorte que son influence thermique était faible; les perturbations d’ordre électrique que sa présence pouvait apporter dans l’arc restaient cependant entières. L'aspect de l’arc n’était pas modifié. Quelles que soient les erreurs dues au procédé, j'estime que les chiffres relevés sont exacts en valeurs relatives, et qu’ils indiquent l'existence d’une chute de potentiel importante dans la masse de vapeurs anodiques. La chute anodique globale serait donc composée de la chute au contact de l’anode, et d’une chute dans la masse des vapeurs.

La chute anodique totale subit un accroissement brusque lorsque le jet de vapeurs apparaît, et elle s'accroît encore en fonction de leur volume apparent. Il est possible que la chute vraie s’accroisse également; à ce sujet, HAGENBACH a constaté que plus l’anode est chaude plus la chute anodique est forte [75, p. 615], mais tout se passe apparemment comme si l'accroissement avait surtout lieu dans les vapeurs. Leur présence en petite quantité dans l’arc augmenterait donc tout d’abord la conductibilité de ce dernier par multiplication du nombre de porteurs, puis la concentration des vapeurs augmentant, la probabilité des chocs entre particules, électrons, atomes neutres, atomes excités, atomes ionisés, deviendrait de plus en plus grande. Ceci expliquerait qu'à partir d’une certaine concentration des vapeurs la multiplication des chocs y produise une chute de potentiel; il en résulterait un échange accru d'énergie, dont une partie serait rayonnée sous forme de lumière par les processus classiques.

Ces explications sont hypothétiques. En ce qui concérne l'effet de la vaporisation sur la chute anodique proprement dite, il faudrait déjà que l’existence de cette dernière fût expliquée. Les auteurs sont peu précis sur ce point, et les recherches bibliographiques sont plutôt décevantes. On admet souvent que la chute est due à une charge spatiale négative causée par les électrons affluents, et les électrons émis par l’anode même, grâce à l'émission thermionique dont elle doit être le siège, ceci notamment d'après HAGENBACH [38, p. 627]. On ne croit généralement pas qu’il y ait émission d'ions positifs par l’anode; ces derniers seraient produits par ionisation des atomes sous l'influence de la température (loi de SaHA) plutôt que par choc d'électrons. Ceux-ci ne sont pas en effet suffisamment accélérés, et l’ionisation ne pourrait avoir lieu que par chocs cumulatifs, ce qui est moins probable. Le sujet nécessite encore de nombreuses et importantes recherches. |

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