CHAPITRE IV

Observations générales sur la décharge à l'intérieur d'un solénoïde.

Décharge électrostatique et décharge induite.

Distinction entre deux régimes d’illumination. — Si l’on place au voisinage d’un circuit oscillant un tube contenant un gaz raréfié sous une pression de 1 mm. à 1/10° de mm. de mercure, le tube s’illumine quand il se trouve auprès de conducteurs dont le potentiel est variable en haute fréquence. L'expérience est particulièrement commode quand on tient le tube à la main; la capacité du corps de l’opérateur est suffisante pour que son potentiel soit fixe. On constate que le tube s’illumine quand on approche son extrémité libre de l’armature du condensateur à potentiel variable, ou de la plaque de la triode (en supposant le filament au sol). Une fois le tube illuminé, il reste allumé jusqu’à des distances assez grandes du circuit, de l’ordre de 5o em. à 1 m. Mais le tube s'éteint immédiatement si on interpose entre lui et le circuit un conducteur quelconque mis au sol, par exemple la main libre de l'opérateur. L’expérience est particulièrement brillante et commode avec un tube renfermant de la vapeur d'iode qui s’illumine très facilement au voisinage d’un oscillateur en fonctionnement.

Si l’oscillateur possède une puissance suffisante, de l’ordre de quelques centaines de watts, on peut constater que l’allumage du tube ne produit aucune réaction sensible sur l’oscillateur. La puissance dépensée dans le tube est de l’ordre de quelques watts seulement ; la résistance supplémentaire provoquée par l'allumage est négligeable devant la résis-

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tance du circuit oscillant. Dans cette expérience, nous sommes en présence de l’illumination d'un gaz raréfié par un champ électrique de haute fréquence, champ « électrostatique» presque pur existantentre le circuit à potentiel variable et la main de l’opérateur à potentiel fixe.

Si maintenant nous approchons ce tube de la self du circuit oscillant, que nous supposerons être une bobine cylindrique de quelques spires, nous voyons en général le tube s'allumer à une certaine distance des spires, alors que le champ électrostatique est seul notable. Si nous introduisons le tube à l’intérieur du solénoïde (en évitant soigneusement de toucher les spires avec les parois du tube, ce qui le crève assez souvent), divers phénomènes peuvent se produire.

Une première éventualité assez fréquente est qu’il ne se produit rien de nouveau ; c'est le cas des tubes dont la pression est notable (supérieure à 1 mm. de mercure, par exemple, cas d’un tube à iode rempli sous la pression de vapeur saturante) ; cela arrive aussi si le circuit est parcouru par un courant peu intense.

Une deuxième éventualité est une très forte augmentation de la brillance du tube accompagnée d’une forte perturbation du fonctionnement de l’oscillateur : le courant baisse de façon considérable (souvent de moitié). La résistance du circuit est fortement augmentée, en même temps que les parois du tube illuminé s’échauffent fortement.

Une troisième éventualité est, comme dans le deuxième cas, une forte augmentation de la brillance du tube, suivie presque immédiatement par une extinction presque complète du tube, suivie elle-même d’un nouvel allumage et d'une nouvelle extinction, et ainsi de suite. Le tube subit une série d’allumages et d’extinctions successifs qui, en général, se prolongent aussi longtemps que dure l’expérience.

Get état d'instabilité peut être modifié, soit par aug-

ILLUMINATION DES GAZ RARÉFIÉS Gi

mentation du courant dans l’oscillateur, soit par déplacement du tube par rapport à la bobine. Il arrive souvent que lors de l'introduction du tube dans le solénoïde, après que le tube se soit brillamment illuminé, la brillance passe par un maximum, puis décroisse et finalement que l’on arrive à l'état d’instabilité que je viens de décrire.

Afin de préciser les conditions d'apparition de cette illumination brillante, nous pouvons : soit laisser le courant constant dans l’oscillateur et faire varier la pression dans un tube placé à l'intérieur du solénoïde, soit faire varier le courant dans l’oscillateur tandis que la pression dans le tube reste fixe.

a) Variation de la pression. — Si l’on fait progressivement le vide dans un tube soumis à l’action du courant, on ue constate aucun phénomène jusqu’à des pressions de l'ordre de 2 à 3 mm. de mercure (pour les gaz polyatomiques). Aux environs de cette pression, naît une lueur diffuse assez faible, dont l'apparition ne produit en général aucune réaction sensible sur l’oscillateur.

La pression continuant à diminuer, la lueur dans le tube augmente quelque peu, et pour des pressions généralement comprises entre 1/10° et 1 mm. de mercure, la lueur augmente brusquement, la brillance du tube croît dans le rapport de 1 à 100, tandis que le courant dans le circuit oscillant diminue ; la résistance apparente du circuit est accrue. Le tube consomme alors beaucoup d’énergie, émet de la lumière avec une grande intensité, et s'échauffe vite. Si le tube est en verre ou en pyrex, il arrive qu'il se ramollisse ; on peut percer des tubes en quartz par suite de leur échauffement excessif.

Si l’on continue à faire le vide, l’éclat du tube diminue, le courant augmente lentement. La lueur émise par le tube change quelquefois de couleur, le gaz illuminé ayant tendance à émettre des spectres d’excitation plus élevée à

mesure que la pression décroît.

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Enfin, pour une pression assez basse, il se produit une extinction complète, le courant remonte à sa valeur primitive, il subsiste quelquefois une fluorescence sur les parois du tube si les ‘ondes sont assez courtes et l’excitation suffisamment puissante.

Si l'on fait rentrer du gaz après avoir fait le vide, les mêmes phénomènes se reproduisent en sens inverse, mais avec un léger retard. Pour une même excitation, la lueur brillante apparaît et disparaît pour des pressions plus élevées qu'au vidage.

b) Variation du courant dans le circuil oscillant. — Si nous faisons varier le courant dans un solénoïde entourant un tube où la pression du gaz est fixe, nous apercevrons d'abord une lueur assez faible ; cette lueur augmente quelque peu, et généralement il finit par apparaître brusquement la lueur brillante déjà décrite, accompagnée par une diminution notable de courant. Il arrive fréquemment que l'apparition de lillumination intense soit accompagnée des phénomènes d'instabilité décrits plus haut.

Si l’on continue à augmenter l'excitation, on arrive rapidement à supprimer l'instabilité de l’illumination. En augmentant encore l'excitation la lueur croît, et le gaz a tendance à émettre un spectre d’excitation plus élevé ; par exemple, si le gaz émet tout d'abord son spectre de bandes on voit apparaître les raies d'arc, et même quelquefois les raies d’étincelle.

Si l’on diminue l'excitation, on repasse par les mêmes états que précédemment, mais la lueur brillante disparaît pour une valeur du courant bien inférieure à celle qui a provoqué son apparition. Il arrive que, tandis qu'on diminue l'excitation du gaz, le courant dans l’oscillateur remonte. On passe ensuite, assez fréquemment, par une zone d’instabilité analogue à celle que nous avons rencontrée, puis on retombe à la faible illumination du début, et enfin à l’ex-

tinction complète, souvent pour des courants très faibles.

Cette description sommaire ne prétend pas rendre compte de toutes les particularités que l’on rencontre au cours de ces expériences. Je décrirai plus lein des phénomènes différents, mais qui se rattachent à l’un ou l’autre des modes d'illumination stable.

Ces expériences nous conduisent donc à admettre l’existence de deux régimes d'illumination différents, séparés généralement par une nette discontinuité accompagnée quelquefois d’une zone d’instabilité. Ces deux régimes sont caractérisés :

le premier, par sa faible brillance et par la petitesse de la puissance consommée ;

le deuxième, par une brillance beaucoup plus grande, et par une consommation de puissance considérable.

Le rapport entre les brillances de ces régimes peut atteindre 50 et même 100.

Ce changement de régime ne se produit que pour un domaine très étroit de pression, sauf pour les gaz monoatomiques et en particulier les gaz rares; l'entretien de l'illumination brillante demande une énergie notable. Aussi, ce phénomène peut-il aisément passer inaperçu si l’on n'opère pas sur un large intervalle de pression et avec un oscillateur ayant une puissance disponible suffisante.

Ces deux régimes de décharge sans électrodes se sont produits avec plus ou moins de facilité sur tous les corps que J'ai utilisés : hélium, néon, argon et krypton, air, oxygène, hydrogène, vapeur d’eau, iode, brome ; et parmi les vapeurs métalliques, mercure, cadmium, zinc, sodium et même un sel métallique, le biiodure de mercure, avec des longueurs d'onde allant de 4 à 160 m. Le changement de régime s'est toujours trouvé accompagné d'une forte augmentation de la brillance, avec une absorption notable de puis-

sance.

Ces deux régimes de décharge ont été signalés avant moi

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par Mac Kinnon (!) et C. T. Knipp (?), le premier ayant opéré sur l’iode et le second sur le mercure. Ils correspondent exactement à la « dull glow » et à la « bright glow » décrites de façon précise par Smith, Lynch et Hilbery (®).

Séparation de l’action des deux composantes du champ électrique dans l’illumination des gaz par les courants de haute fréquence. — Le mode d'obtention de chacun des régimes de décharge précédemment décrit semble indiquer que le premier régime est dû surtout à l'action du champ électrostatique, et l'intervention du champ induit est nécessaire à la formation du deuxième régime.

Je vais relater ici quelques expériences que j'ai faites en 1931 sous la direction de M. Abraham pour supprimer l’action de chacune des composantes au champ électrique. J’y ajouterai quelques remarques faites depuis, et je rappellerai des expériences analogues faites par d’autres auteurs sur la même question.

a) Suppression du champ induit. — Une première expérience consiste à réaliser un champ électrique identique au champ électrostatique existant à l'intérieur d’un solénoïde, mais en l’absence de champ induit. A toutes les spires d’une bobine B, on soude une spire non fermée égale à. la spire elle-même; on constitue ainsi à côté du solénoïde B, une deuxième bobine B' (fig. 21) dont chaque spire est au potentiel d’une spire de B mais dont aucune n'est parcourue par un courant notable (il ne passe que les courants de capacité). Le champ électrostatique à l’intérieur de B'est alors identique au champ en B, mais le champ induit, s’il a encore une valeur notable (inférieure cependant à sa valeur au

Mac Kinxow, Phil, Mag., 8 (1929), p. 605.

GC. T. Kai, Phil. Rev., 37 (1931), p. 756.

H. Suirn, W. A. Lynen et N. Hirsery, Phys. Rev., 37 (mai 1931), p. 1001.

voisinage des spires), ne produit qu'une f. é. m. d’induction négligeable à l’intérieur du tube. D’après ce que nous avons vu plus haut, il doit être compensé par l'apparition de charges libres sur les parois du tube.

La décharge dans un tube placé dans B' est la même que la décharge dans B, tant qu'on est au premier régime de décharge ; mais si l'excitation est suffisante pour produire la décharge brillante dans B, on n'obtient dans B' que la décharge peu lumineuse identique à celle du premierrégime.

Fig.21.— Réalisation en B’ d’un champ électrostatique identique à celui de B en l’absence de champ induit.

G. D. Yarnold (1) a repris ce dispositif et l’a expérimenté sur le néon afin de légitimer les vues de Townsend et Donaldson sur la décharge sans électrodes. Il a constaté, d’une part que la décharge présentait le même aspect et que ce soit l’une ou l’autre des bobines qui agisse, et d’autre part que les différences de potentiel pour lesquelles la décharge s’amorce et disparaît sont identiques pour B et B' aux erreurs d'expérience près. Cela confirme l'idée qu'il y a un régime de décharge où l'action du champ électrostatique est dominante, et que ce régime est celui de faible [lumino-

(t) G. D. Yarnoun, Phil Mag., 13 (1932), p. 1179.

sité. Pour obtenir le deuxième régime il faut un autre facteur.

b) Suppression du champ électrostatique. — On peut essayer au contraire de faire intervenir le champ induit seul en éliminant le champ électrostatique.

Un premier procédé qui a été utilisé par M. L. Braun pour l’étude.de la décharge, bien que cet auteur n'ait pas cherché à séparer l’action de chacune des composantes du champ, consiste à employer des bobines plates enroulées en spirales que j'ai décrites plus haut.

Fig. 22. — Champ électrostatique dans une bobine spirale.

Il est difficile de prévoir avec exactitude la structure du champ électrostatique ; si nous ne tenons compte que du champ électrostatique alternatif, il ÿ aura un champ intense entre les spires, et un champ moins intense partant de la spire centrale; il peut exister, et on pourra toujours faire intervenir, une ligne de force parcourant un diamètre : de la spire centrale, la valeur du champ le long de cette

ligne de force sera sensiblement + fois celle du champ

induit. Si le point A (fig. 22) n’est pas un point de la spire à potentiel constant, des lignes de force partiront de A vers les objets voisins dont le potentiel est fixe, et le champ au voisinage de À peut être intense.

Si l’on place dans la spire centrale un tube susceptible de

s'illuminer, on obtient en général l’illumination si le centre À de la bobine est à potentiel variable, et souvent rien si le point À est à potentiel fixe (!) L'illumination présente le caractère du deuxième régime de décharge : grande brillance et forte consommation d'énergie.

Si le tube ne s’illumine pas (point A potentiel fixe), on peut l'illuminer faiblement en le plaçant transversalement aux spires de façon qu'il soit placé sous l’action du champ électrique ; il s'illumine brillamment quand on le replace dans l’axe de la bobine. On peut encore l'allumer en approchant de jui un tube allumé dans le voisinage par le champ électrique. L'expérience réussit très bien si le tube est en quartz. s

Le tube s'allume aussi quand il est relié à une canalisation à vide qui passe dans une région de champ électrique alternatif intense. La canalisation s’illumine et l'illumination se propage rapidement jusqu’à l’intérieur du tube.

Je n’ai pas fait d'expériences quantitatives avec ces bobines, parce qu'elles se prêtent mal à la production de champs induits intenses. Les spires intérieures seules utiles, chauffent beaucoup, il faut braser tous les raccords. En outre, elles ont une énorme capacité répartie et n’oscillent bien qu'avec de grosses capacités aux bornes; souvent elles provoquent l’amorçage d’oscillations très courtes sur les connexions entre le circuit oscillant et la lampe. Ces oscillations puissantes de courte longueur d'onde ont un rayonnement intense et provoquent des effets électro-magnétiques très brillants comme l'allumage de tubes à plusieurs mètres de l’oscillateur, mais elles sont funestes pour les connexions de la lampe soudées à travers le verre.

Un autre procédé pour soustraire le tube à l’action du

(2) D'après le schéma de montage donné par M. I. Braun, il semble que le centre de la bobine qu'il a employée soit à un potentiel variable.

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champ électrostatique à l'intérieur du solénoïde, consiste à interposer un écran électrique entre la bobine et le tube. On peut prendre comme écran un cylindre métallique coupé suivant une génératrice pour éviter de fermer le circuit (fig. 23). J'ai constitué de tels écrans en collant des feuilles de papier d’étain sur un tube de verre que l'on peut glisser entre le tube et la bobine. Un autre écran a été fait d’une feuille de clinquant enroulée à l'intérieur d’un tube, la feuille ne faisant pas tout à fait le tour du tube.

Quand l'écran est interposé entre la bobine et le tube, le tube est à l’intérieur d’une cage de Faraday présentant une

S QUOR OROMMONMPOMO MER EE OO O0 OP OMAMOMONC C S Coupe Fig. 23. — Ecran électrique supprimant le champ électrostatique

à l'intérieur d’un solénoïde.

conductibilité largement suffisante pour supprimer tout champ électrique longitudinal. Les lignes de force du champ électrostatique se ferment en passant par l'écran. La présence de l'écran augmente la capacité répartie de la bobine, mais si la bobine est assez grande, la modification apportée au circuit peut être négligée.

Si l’on place un tube scellé à l’intérieur de l'écran, et que l’on essaie ensuite de provoquer la décharge, le tube ne s'illumine pas. Si les conditions expérimentales (courant, pression) sont telles que le tube s’allume en deuxième régime en l'absence de l'écran, l’illumination subsiste après interposition de l'écran. Si, en l’absence de l'écran, le tube est dans le premier régime de décharge, ou s’il est dans la zone d'instabilité, l'interposition de l'écran éteint la décharge.

Dans le cas d’un tube relié à une canalisation à vide, l’ex-

périence donne des résultats a priori moins cohérents, Cela tient à ce que, en général, la canalisation traverse des régions à champ électrostatique intense où elle s’illumine. L'ionisation produite à l’intérieur de la canalisation se propage à l’intérieur du tube et en provoque l'allumage. On retrouve les résultats précédemment décrits si l’on prend la précaution de protéger la canalisation par un écran formé de papier d'étain mis au sol, et si la feuille de clinquant elle-même est mise au sol. Dans ces conditions, il n’y a pas allumage si l'écran C est interposé avant le début de l’exci-

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DE OrOMNMOLOTOPOMDUOrO.

WW, … TI Terre Terre *

Fig. 24. — Ecrans supprimant l’action du champ électrostatique sur un tube relié à une canalisation à vide,

tation, mais le deuxième régime de décharge se maintient

si l'écran C n’est interposé qu'après l’allumage.

Expériences sur le petit oscillateur. — La nécessité d’assurer l'isolement entre les deux bords de la feuille de clinquant exige l'existence d’une fente de 2 à 3 mm. de largeur. J'ai essayé de réduire cette largeur en employant l'écran sur le petit oscillateur destiné à la production de lumière monochromatique : J'ai réussi à maintenir l'allumage avec un écran de 30 cm. de longueur, 120 mm. de largeur ne laissant entre les bords qu'une fente de 1 mm., l’écran étant mis au sol. L'illumination s'est maintenue même après que j'aie bouché les extrémités de G par deux rondelles de clinquant

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EetE'. Dans ces conditions le champ électrostatique existant à l'intérieur de l'écran est très réduit, tandis que le champ induit n’est pas diminué sensiblement.

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Fig. 25, — Ecrans sur le petit oscillateur.

Conclusion. — Ces expériences me paraissent montrer de façon certaine l'intervention du champ induit dans la production du deuxième régime de la décharge, et montrer même que la décharge, une fois allumée, peut se maintenir en l’absence complète de champ électrostatique d’où le nom de « décharge induite » que je donne dans la suite à ce régime. Par contre, il ne semble pas, contrairement aux idées de Sir J. J. Thomson, que le champ induit seul soit susceptible de provoquer l'allumage de la décharge, tout au moins dans la limite des expériences que j'ai réalisées.