CHAPITRE PREMIER

Polarisation naturelle et influence de la tension sur l’intensité du courant.

Certains échantillons présentant une polarisation naturelle, nous sommes conduits à étudier ce phénomène que nous pourrons éliminer par la suite.

Phénomène de polarisation spontanée ou permanente. — 11 suffit de placer un parallélépipède de craie impure (de Poix), entre deux électrodes identiques, reliées directement à un galvanomètre pour constater l’existence d’un courant spontané. Une presse appuie les électrodes contre la craie pour assurer un bon contact.

Dès qu’on ferme le circuit, un courant passe, il décroît avec le temps. Le phénomène a bien son origine dans la craie, car il se produit avec deux électrodes aussi identiques que possible, découpées dans une même plaque métallique. La nature des électrodes n'intervient pas, le phénomène reste le même que les électrodes soient en laiton, en nickel, en plomb ou en aluminium. Une dissymétrie des contacts électrodecraie ne doit pas non plus être mise en cause ; on le vérifie en collant des feuilles minces d'aluminium sur les faces de la craie au contact des électrodes.

Intensité et évolution du courant de dépolarisation. — Voici quelques résultats obtenus avec trois échantillons de même origine. La densité de courant # est exprimée en millimicroampères par centimètre carré, À est l’épaisseur de craie traversée par le courant :

Temps:10sec 1mn 2mn 4mn 1omn 1h 1 h 30 PE CIN NT NO 0 0/01 10720 Con RS D PET NS 2 DCI NTe : I I I ï I CD 070

Cette polarisation présente-t-elle la même intensité dans toutes les directions ? Un même bloc parallélépipédique a donné respectivement suivant les trois directions normales aux faces 1, 2 et 3 les résultats

suivants :

Temps : 1osec 1mn 2mn 5mn gmn 15mn 3omn 4omn Lh==5,9 cm. PORTA RTS 02/00: 00 "86 - 60470 2:h—2,h cm. TL 1 I I » 0 HO 9,1 cm. LE n n » 0

Les données des trois lignes successives ne sont pas absolument comparables en raison de la succession des mesures vis-à-vis de l’évo-

lution de l'intensité du courant en fonction du temps. Quoi qu'il en soit, la polarisation est nettement plus accusée suivant la direction normale à la première face que suivant les deux autres. 11 est donc permis d’en conclure l'anisotropie de la craie au point de vue de sa polarisation permanente.

D'autre part, tandis que le courant de dépolarisation est habituellement décroissant avec le temps, celui enregistré dans la première ligne du tableau précédent passe par un maximum. Celui-ci est peut-être imputable à l’arrivée d’un paquet d’ions sur une électrode. 1] n’est pas rare en effet que le spot subisse une déviation brusque, à la suite de laquelle il reprend sa position primitive et continue son évolution régulière.

La lave de Volvic, roche poreuse, présente aussi le phénomène de polarisation spontanée.

Causes de cette polarisation. — Dans le « carottage électrique » employé par les prospecteurs Schlumberger (14), des phénomènes analogues apparaissent et sont dénommés « polarisation spontanée » ou « potentiels spontanés ». Ces prospecteurs attribuent le phénomène à deux causes principales, l’électrofiltration et l’effet de pile de concentration.

a) Electrofiltration. — L'expérience suivante met le phénomène en évidence. Le tube T, en matière isolante, rempli de sable humide, est fermé par deux bouchons isolants traversés chacun par un tube permettant d'établir une circulation d’eau. En l’absence de courant d’eau, le

eau ES

millivoltmètre indique une tension V entre les sondes A et B. Dès qu’on fait circuler dans le tube de l’eau sous une pression de quelques kilogrammes/centimètre carré le voltmètre indique une tension V'. La différence V'— V qui peut atteindre plusieurs dizaines de millivolts caractérise l’effet.

b) Pile de concentration. — Une différence de potentiel apparaît à la surface de séparation de deux solutions d’un même électrolyte à des concentrations différentes. Dans les forages, à l’aplomb des roches poreuses, la polarisation spontanée peut naître en raison de l’une ou l’autre de ces deux causes ; le prospecteur en déduit le niveau de ces roches.

Mais la craie que j'ai utilisée est sèche et les deux causes précédentes n'expliquent pas les résultats indiqués plus haut.

c) Tribopolarisation. — Les électrodes sont immobiles par rapport à la craie. On peut se demander cependant si le travail de taille et de dressage des faces de la roche ne fait pas apparaître des charges électriques à la surface par fracture de molécules. C'est peu vraisemblable, un courant dû à cette cause serait de très brève durée et pratiquement non décelable avec le dispositif utilisé. De plus, les échantillons de craie « pure », taillés et polis de la même façon, ne présentent pas de polarisation spontanée. J'ai vérifié directement que la tribopolarisation ne peut être mise en cause.

d) /nfluence des impuretés. — La craie présentant le phénomène de polarisation spontanée a une conductibilité supérieure à celle de la même craie préalablement « lavée », cette dernière étant plus conductrice que la craie « pure », comme nous le verrons plus loin. Il est naturel d'attribuer cette plus grande conductibilité à des ions étrangers au calcaire.

En immergeant la craie dans de l’eau distillée pendant 8 jours au cours desquels j'ai renouvelé le bain, j'ai « lavé » la craie. Au début de l’immersion un dégagement de bulles gazeuses prouve la porosité de la-craie. Après séchage à l’air puis à l’étuve vers 4o° C en présence d’anhydride phosphorique, la craie « lavée » ne présente plus de polarisation spontanée appréciable.

M. le Professeur Reboul m'a suggéré que les impuretés incriminées devaient être des ions NOY ou NO qui auraient pris naissance dans les décharges électriques atmosphériques ou par nitrification dans la terre arable recouvrant la roche sous-jacente. L'analyse, même sommaire, des eaux de lavage montre en effet une notable proportion d'ions NO; , puisqu'en milieu sulfurique, cette eau produit un dégagement de vapeurs nitreuses sur le cuivre.

Il suffit alors d'admettre une répartition hétérogène de ces ions pour expliquer la polarisation observée. Dans les parties superficielles de la roche, une concentration des ions étrangers plus grande que dans les parties profondes paraît normale ; une accumulation de ces ions peut aussi se produire dans les fissures de la craie et dans leur voisinage immédiat.

A l’appui de cette hypothèse, A. F. Joffé (10), (11) a pu faire traverser des cristaux de CO;Ca par des ions NOY ; une expérience directe la vérifie, = Production artificielle de la polarisation permanente. — Par sa face supérieure, un échantillon de craie « pure » ne présentant pas de polarisation spontanée, est imbibé d’une solution nitrique très étendue au moyen d’un tampon de papier-filtre. La face supérieure est attaquée par l’acide et présente des marbrures ; au cours de l'imbibition le liquide progresse de haut en bas, et sur les faces latérales verticales apparais-

sent deux à trois lignes grisâtres rappelant celles parfois visibles dans la craie impure. Le parallélépipède étant bien séché, sa face supérieure aplanie à nouveau, le phénomène de polarisation spontanée se manifeste entre deux électrodes placées respectivement contre les faces supérieure et inférieure de la craie.

Pour une épaisseur de 3,75 cm., la densité de courant (en myA/cm?} a pris les valeurs suivantes :

Temps . . 5 secondes 15 secondes 4 minutes .. 36 minutes DANCE LUE 15 10 6 sl 0

Le courant de dépolarisation s'étant annulé, le circuit est laissé ouvert pendant une vingtaine d'heures au bout desquelles le courant de dépolarisation avait repris les valeurs :

Temps ... 5secondes 1 minute 4 minutes 6 minutes TRI AREA 10 6 6 5

C’est bien le phénomène observé avec la craie impure, ce qui justifie l'hypothèse proposée.

Mécanisme de la dépolarisation. — En circuit fermé, le courant de dépolarisation s’annule au bout d’un temps plus ou moins long. Il se manifeste à nouveau après repos du semi-conducteur, vraisemblablement par suite de la diffusion des ions ; c’est donc que le courant ne fait pas disparaître tous les ions étrangers.

Le passage du courant est dû à un déplacement d’ions. Supposons le courant dirigé de B vers A dans le semi-conducteur ; les ions NO; vont vers l’électrode B. Dans CO;Ca, seul l'ion COY est mobile (11), comme nous le verrons plus loin. Mais au déplacement réel des charges négatives dans un sens correspond un déplacement fictif des charges positives en sens inverse. Au voisinage des électrodes il apparaît des charges spatiales créant un champ de sens opposé à celui qui donnait naissance au courant de dépolarisation ; ce courant s’annule lorsque les champs précédents, opposés, sont égaux. Puis, le semi-conducteur étant laissé en circuit ouvert, la diffusion dans la masse des charges accumulées près des électrodes laisse réapparaître ‘le champ de polarisation spontanée. Le courant de dépolarisation existe à nouveau en circuit fermé, et l'expérience montre que son intensité est plus faible que la première fois. On peut alors admettre qu’une

Fig. 2.

partie des impuretés a été éliminée par électrolyse, fait signalé par A. F. Joffé (12), sous le nom d'épuration électrique.

La craie est un semi-conducteur. — On peut caractériser un semiconducteur par le fait que l'intensité du courant qui le traverse, quand il est soumis à une tension fixe, décroît avec le temps et atteint une limite.

Le volume de craie soumis au passage du courant est bien défini si on lui donne une forme de parallélépipède rectangle. Cependant