I. — ARC CLASSIQUE ENTRE CHARBONS

Je rappelle brièvement les caractères de cet arc en courant continu. Lorsqu'on rompt un circuit électrique par l’écartement de deux électrodes en charbon, l'arc jaillit entre ces dernières. Si les caractéristiques du circuit sont convenables, il est possible d’écarter les charbons de plusieurs millimètres à plusieurs centimètres, suivant l’intensité mise en jeu, sans que le courant cesse de passer. Les extrémités des deux charbons sont portées à haute température, et, une fois le régime établi, prennent une forme immuable : la cathode se taille en pointe, l’anode ne s’amincit que légèrement et son extrémité, comme tranchée suivant un plan perpendiculaire à l’axe, se creuse en forme de cratère.

La température maximum du cratère anodique a fait l’objet de nombreuses recherches. Viozce trouva autrefois 37800 K. La température de brillance est connue avec précision : 38200 K + 10 d’après CHANEY [8], 38250 K d’après MonxiG et Lucas [9] pour ne citer que des travaux récents. La distribution du rayonnement du cratère est comparable à celle du corps noir porté à 37000 K d’après FINKELNBURG [10], 39250 K d’après CHaAnEY [87], la température de couleur est 37800 K d’après PriEsrT (1). C’est sur la température de brillance que les chiffres publiés s'accordent le mieux, mais la connaissance exacte du pouvoir émissif du carbone à ces hautes températures manque pour pouvoir calculer avec certitude la température vraie. FINKELNBURG estime cette dernière à 40400 K (?), Popzus à {42000 K, WENsELz, partant du chiffre de CHANEY, 39250 K tiré du À maximum, la situe entre 38600 K et 39250 K.

On admet généralement que la température du cratère atteint une valeur limite en régime stable pour une pression donnée. De nombreux auteurs ont en conséquence proposé le cratère comme repère de haute température et de haute brillance. Je ne citerai à ce sujet que les travaux les plus récents de CHANEY [8] et de Mac GREGOR Morris [13]. La supposition que cette température limite est celle de la sublimation du carbone à la pression atmosphérique avait été contestée par FINKELNBURG, qui

(2) PRIEsT, J. Opt. Soc. Amer., 7, 1923 p. 78. (?) Konn et GuEckEL, Z. f. Phys., 27, 1926, p. 305.

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donne cette dernière comme supérieure à 40400 K, mais les mesures de RIBAUD, faites sur des enceintes de graphite constituant un corps noir, permettent de conclure à 37640 K pour la température de sublimation du carbone sous la pression de 760 mm de mercure, voir [86], [89], [66.3], et en particulier [66.4].

La partie rayonnante de la cathode est beaucoup plus petite que le cratère anodique, et se trouve portée à plus basse température. C’est donc le cratère qui rayonne le plus

en

Fig. r. — Aspects de l'arc non minéralisé.

de lumière. L'énergie dégagée y est plus considérable, car les chutes cathodiques et anodiques sont respectivement de l’ordre de 8 à 9 V et de 31 V d’après les travaux de Mme AvYRrTON [14].

Mason a donné des chiffres respectifs de 10 et 20 V pour des arcs de faibles puissances [15].

L’arc lui-même, bien qu'étant à une température bien plus élevée que les charbons, rayonne beaucoup moins de lumière. De nombreuses recherches ont été faites sur la température de l'arc. Surrs, par la vitesse de propagation du son, a trouvé 55000 K [64] et par l'étude de chutes de particules 7 0000 K [65].

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ORNSTEIN, d’après l'intensité de bandes et de raies spectrales, a conclu à environ 6 0000 K [61].

Par des méthodes analogues MANNKOPF a trouvé 6 à 7 0000 K [63], Locxre, Hozr- GREVEN et MAECKER 6700 à 76000 K [66].

ROHLOFF, enfin, partant d’une mesure directe de 3 800° K à la pointe de la flamme, et utilisant la vitesse de propagation d’une perturbation dans l’are, a conclu à une température croissant de 38000 K à la pointe de la flamme à 100000 K aux environs immédiats du cratère [16]. Cette valeur semble trop élevée.

Au fur et à mesure que l’intensité augmente, la partie de l’arc voisine de la cathode se ramasse, tandis que la flamme surplombant la partie anodique si les charbons sont horizontaux, ou lèchant le charbon supérieur, si les charbons sont verticaux, prend plus d'importance. Vers 8o À, une petite langue émanant de la cathode apparaît. Cette langue se précise, grandit, s’entoure d’un espace sombre, et prend à partir d’une centaine d’ampères un aspect qu’elle conserve jusqu’au moins 650 À, intensité limite que j'ai eu l'occasion de mettre en œuvre. Quant à la partie anodique de l’are, elle ne change pas sensiblement d’aspect en régime stable, la flamme s'incline seulement vers le charbon (fig. 1).

bei) Je

Pig a. Arc trop court. b. Charbon — surcharge.

J’ai dit qu'un charbon techniquement pur servant de cathode se taille en pointe. La forme de cette pointe dépend de l’écartement et de la densité de courant. Au fur et à mesure que cette dernière augmente, le charbon s’échauffe de plus en plus loin de l’arc et brûle (fig. 2 b); on n’a plus alors affaire à un régime stable, et le charbon est dit surchargé, sans que pour cela l’arc en soit forcément perturbé. L’intensité limite que peut supporter un charbon dépend, pour une section déterminée et des conditions d'ambiance identiques, de ses conductibilités électrique et thermique, qui conditionneront sa température, et de sa résistance à la combustion. L’artifice le plus souvent utilisé pour augmenter la capacité de charge d’un charbon cathodique est de le cuivrer extérieurement par électrolyse. Pour prendre un exemple, un certain charbon de ® 6 mm peut supporter 50 A s’il est cuivré, alors qu’il en supporte à peine 25 sans cuivrage.

Les mêmes considérations s’appliquent à un charbon servant d’anode, mais, avant qu’on atteigne une intensité suffisante pour que le charbon rougisse et brûle, intervient le phénomène d’instabilité de l’arc. Un arc stable est caractérisé par un régime électrique déterminé et régulier, c’est-à-dire que pour une longueur d’arc.et une tension aux bornes données, il n’existe qu’une valeur possible de l’intensité. Les conditions de stabilité d’un arc entre deux charbons donnés, alimentés par un circuit de caractéristiques déterminées, peuvent être exprimées en fonction de trois variables, dont deux seulement sont indépendantes : intensité, tension et longueur d’arc. Les deux plus commodes à utiliser sont l'intensité et la longueur d’arc, seules susceptibles d’une mesure exacte. La tension ne peut en effet être mesurée facilement qu'entre les pinces d’amenée de courant. Le chiffre obtenu totalise la tension réelle de l’arc, la chute de tension dans les

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charbons, et les chutes de tension aux contacts. Pour une intensité donnée, la longueur d'arc devra être comprise entre deux limites. En dessous de la limite inférieure, l'arc bruisse et de la vapeur de carbone se condense sur la pointe de la cathode sous forme de graphite, On dit que l’arc « champignonne » (fig. 2 a); au-dessus, l’arc devient instable par suite de l’action du courant d’air ascendant, et ses points d'impact sur les électrodes se déplacent. Si les charbons sont de bonne qualité, et que la tension d’alimentation soit constante, les variations d'intensité ne doivent pas excéder r % de la valeur moyenne. L'arc est alors clair, fixe, silencieux, et la brillance de la surface du cratère ne subit dans le temps que des fluctuations de quelques unités pour cent.

Une augmentation brutale de l'intensité ayant une cause extérieure peut provoquer l'apparition d’un régime instable momentané, après lequel un nouveau régime stable s'établit. La surface du cratère est, pour un charbon donné, en relation directe avec l'intensité du courant. Rey [78] a établi la formule empirique suivante, dans laquelle S exprime la surface du cratère en millimètres carrés, D Je diamètre du charbon en millimètres, I l'intensité du courant en ampères

SI=107 009 Di

En élevant l'intensité, on augmente la surface du cratère, tandis que la brillance reste à peu près inchangée, mais, à partir d’une certaine valeur de l’intensité, l’arc devient instable et bruyant, et la brillance élémentaire du cratère subit des variations très rapides dans l’espace et dans le temps [17]. La lumière rayonnée est alors inutilisable.

La densité de courant limite pour l'obtention d’un arc stable peut être largement augmentée par l’'incorporation de sels minéraux dans la masse du charbon positif, ou mieux dans sa partie médiane. On ménage couramment un canal ayant généralement un diamètre égal au tiers ou au quart de celui du charbon, et l’on y introduit un mélange de charbon et de matières minérales agglomérés appelé mèche. Beaucoup de corps minéraux peuvent aussi stabiliser l’arc, mais on utilise généralement des corps dont le spectre d’arc est peu riche en radiations colorées, tels que l’acide silicique, l’acide borique, les silicates, borates et carbonates alcalins. Ces corps, plus volatils et plus facilement ionisables que le carbone, alimentent l’arc. Par exemple, un charbon de 12 mm ainsi méché peut supporter une intensité de 35 A contre ro seulement pour un charbon homogène de même diamètre. La présence de corps minéraux permet également d’allonger l’are en conservant une bonne stabilité, ce qui diminue l'occultation du cratère par la pointe cathodique. Enfin, ils empêchent le régime de devenir critique lorsqu'on rapproche brusquement les charbons pour en compenser l’usure.

Il est intéressant de signaler que les charbons couramment utilisés n’ont presque jamais une caractéristique tension/intensité descendante, comme ceux faisant l’objet du travail de Mme Ayrron, tout au moins dans leurs conditions pratiques d'utilisation.

La figure 3 reproduit les caractéristiques d’un appairage couramment utilisé.

LEBLANC [18] avait déjà signalé qu’un charbon positif à mèche donne une courbe passant par un minimum. En retranchant des tensions brutes relevées aux bornes de la lampe les chutes de tension parasites dans les contacts et dans les charbons, M. ANDRÉ a trouvé que l’allure remontante est due à l’accroissement des chutes parasites en fonction de l'intensité. Il ressort que la caractéristique inhérente à l’arc même est horizontale ou légèrement descendante.

Pour obtenir une bonne stabilité, il est recommandé d'intercaler en série avec l’arc une résistance telle que pour les tensions de 42 à 55 V utilisées aux intensités inférieures à 80 À, la différence de potentiel aux bornes de la dynamo soit au moins de 70 V. Les dynamos d'alimentation utilisées sont généralement du type shunt.

L'utilisation de l’arc dans les projecteurs a conduit à pousser à l'extrême les intensités de courant. L'Armée et la Marine française utilisaient encore en 1939 des projecteurs de 130 cm fonctionnant à 150 et 200 À avec des charbons positifs de ® res-

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= [e) > G4S [Ex > Q

15) 20 25 3O Intensite en ampéres Fig. 3. — Caractéristique V/I à plusieurs longueurs d’arc.

Charbon + à mèche qualité 252 æ r2 mm.

Charbon — homogène qualité 259 dæ 8 mm.

(Marque Cielor.)

pectifs de 36,5 mm et 38 mm; les phénomènes cathodiques apparaissant à partir de 80 A nécessitaient un allongement de l’arc et une augmentation de la tension aux bornes des lampes qui atteignait 75 V.

La brillance du cratère n’était pas augmentée, mais seulement sa surface. Avec réglage au foyer du miroir, on obtenait donc un élargissement du champ, mais pas une augmentation de la portée. :

Pour que la brillance moyenne se rapprochât le plus. possible de la brillance maximum, il était néanmoins intéressant de chercher à surcharger l’anode sans risquer de sortir accidentellement de la zone de régime stable. Certains constructeurs français avaient résolu le problème en faisant tourner le charbon positif sur lui-même. Des