CHAPITRE II

PHÉNOMÈNES ELECTRIQUES DANS LES GAZ UAREFlÉS

Lumière positive. — Soit un tube de verre AG (lig. 2), muni à ses deux extrémités de deux :électrodes métalliques (ces électrodes sont généralement constituées par un gros fd d'aluminium fixé à un fd de platine traversant la paroi du tube et soudé à celle-ci par de l'émail ou du cristal). Lorsque la pression du gaz contenu dans l'appareil, de l'air par exemple, est réduite à i centimètre de mercure environ, le passage du courant d'une bobine d'induction (ou d'un transformateur) se traduit par les apparences suivantes :

Une colonne lumineuse rouge violacé, sorte d'étincelle d aspect nébuleux, de la grosseur d'un crayon, part de l'électrode positive ou anode et se termine par affaiblissement progressif à une petite distance de l'électrode négative ou cathode (^j. C'est la lundère positive. Cette étincelle diffuse est sensible au champ magnétique : elle s infléchit, au voisinage d'un aimant, comme le ferait un conducteur flexible parcouru par un courant et présentant une certaine résistance élastique à la déformation. Il est important de remarquer qu'après avoir franchi la zone d'action sensible de l'aimant la lumière positive reprend sa direction primitive. La figure 'i représente l'apparence produite, le pôle boréal de l'aimant étant en avant du tube.

A un degré de vide plus avancé, vers un millimètre ou un demi-millimètre de pression, la lumière positive augmente de volume jusqu'à remplir la section du tube. En même temps elle laisse entre elle et la cathode un espace plus considé.rable.

(1) Ici se place l'espace obscur de Faraday [Expérimental Researchcs,

LA GAINE NEGATIVE ET L ESPACE OBSCUR DE HITTORF li

Très souvent cette masse lumineuse positive se décompose en couches alternativement brillantes et obscures, en strates ; il semble établi aujourd'hui que le phénomène de la stratification

Fig. '2 et fig". -J. bis.

ne s'observe qu avec les mélanges gazeux. Un gaz simple pur donne une luminosité sans discontinuité.

Dans un appareil de forme simple, analogue au tube de la figure 1, la lumière positive disparaît peu à peu à mesure qu'on abaisse la pression et que la lumière négative prend plus d'extension. Ces deux phénomènes paraissent incompatibles. Dans l'oxygène pur cette disparition a lieu plus tôt que dans l'air. Avec l'appareil précédent, vers i""" de pression, la majeure partie du tube est obscure, le passage du courant électrique n'y est accompagné d'aucun phénomène visible, et l'anode paraît tout à fait inerte. Ce résultat ne s'obtient qu'avec l'oxygène presque parfaitement pur (*).

La gaine négative et l'espace obscur de Hittorf. — Au voisinage de la cathode on observe invariablement la présence

(') Il se passe quelque chose d'analogue, à la pression atmosphérique, dans les appareils à ozone : l'effluve en pluie de feu, très visible, avee une teinte violette, quand l'appareil est plein d'air, devient presque invisible si l'air est remplacé par de l'oxygène.

l4 PHENOMENES ELECTRIQUES DANS LES GAZ RAREFIES

d'une sorte de gaine lumineuse entourant plus ou moins complètement l'électrode. Violette dans l'azote, jaune pâle dans l'oxygène, rose avec l'hydrogène, elle offre à la couleur près les mêmes apparences dans tous les gaz. Aux pressions élevées (quelques millimètres de mercure) elle ne recouvre qu'une partie restreinte de la cathode ; elle s'étend de plus en plus quand la raréfaction augmente, et enveloppe bientôt toute la partie libre de l'électrode. On voit alors qu'entre elle et celle-ci existe un espace relativement obscur (fîg. i bis). Au contact même de la cathode on observe une dernière couche lumineuse rosée, dans laquelle le spectroscope montre à peu près uniquement les raies de l'hydrogène. Si cependant la cathode est faite d'un métal volatil (magnésium, lithium, etc.), les raies de ce métal apparaissent très vives et cette propriété peut être utilisée pour observer les raies métalliques. Pour cette application on emploie comme électrode un disque plat parallèle à la fente du spectroscope.

L'espace obscur est assez nettement délimité par la gaine lumineuse négative suivant une surface ayant la forme d'une surface équipotentielle entourant la cathode.

A mesure que la raréfaction augmente, atteignant successivement le — , le de millimètre, cette surface s'éloisrne de

10 lOO ^

l'électrode et l'espace obscur s'étend de plus en plus; de même la gaine négative augmente d'épaisseur et se fond de plus en plus dans le milieu sombre qui l'entoure.

L'espace obscur n'est facilement observable que pour des pressions inférieures à i millimètre de mercure, à o^'^^j il ne s'étend qu'à i millimètre environ autour de la cathode. Pour une pression de o"*"\i il atteint i centimètre environ; il faut arriver à des pressions de l'ordre de o"^"\o2 pour que l'espace obscur ait une épaisseur de quelques centimètres.

C'est dans cet espace, et dans la gaine lumineuse qui Tenveveloppe, que se produisent les rayons cathodiques.

Résistance électrique des tubes à décharges. — La décharge électrique dans un gaz raréfié n'est aucunement comparable au passage de l'électricité dans un conducteur, et le mot résistance n'a plus l'acception qu'on lui donne dans le cas d'un circuit entièrement métallique.

Tant que la différence de potentiel entre les électrodes, le

RESISTANCE ELECTRIQUE DES TUIÎES A DÉCHAR(;ES i >

voltage si Ton veut, reste au-dessous dune certaine valeur, variable avec la nature et la pression du gaz, la forme du tube, etc. Il ne passe absolument aucun courant. Quand on atteint et dépasse le nombre de volts nécessaires à la production de la décharge, un courant passe, courant que plusieurs physiciens considèrent comme étant toujours discontinu, même avec une source électrique continue. L'intensité de ce courant augmente d'ailleurs avec le voltage, mais elle peut n'être pas sensiblement influencée par la section du tube, comme cela aurait lieu pour un conducteur ordinaire.

L'effet propre des électrodes complique encore le phénomène : il semble que la majeure partie de l'obstacle qui s'oppose à la décharge réside dans la couche de gaz en contact immédiat avec celles-ci ; M. Ilomen (i) admet que cette sorte de « résistance au passage )) comme on l'appelle quelquefois, peut être représentée par la somme d'une force électromotrice et d'une résistance ohmique : dans l'air à la pression de o'^'^^S par exemple, elle serait égale à 9^0 volts -\- 92 000 ohms. Gela exprime tout au moins que l'intensité du courant ne devient pas infinie quand le voltage de décharge est dépassé. La distance des électrodes intervient également : la résistance augmente avec celle-ci quand la pression est de l'ordre du millimètre ou supérieure ; l'inverse peut avoir lieu aux pressions très faibles.

Considérée comme composée d'une différence de potentiel et d'une résistance électrique proprement dite, la résistance d'un gaz raréfié peut paraître comparable à celle d'un électrolyte. Cette comparaison n'est pas justifiée : MM. E. Wiedemann et G.-C. Schmidt (-) ont en effet démontré que la décomposition de la vapeur d'eau par la décharge électrique n'est pas régie par la loi de Faraday ; d'autre part, ils ont établi que les gaz monoatomiques se comportent comme les gaz composés. 11 ne peut donc être question d'une électrolyse.

Un autre phénomène, d'ordre tout différent, montre bien que la résistance électrique des gaz n'est comparable à aucune autre : ^L Hittorf a en effet reconnu, en i879(*^), qu'un gaz raréfié

(i) Wied. Annalen, t. XXXYIII, p. 172 (1889).

(2) Wied . Annalen, t. LXI, p. 737.

(î) Wied. Annalen, t. Yll, p. 55j et 614.

lO PHENOMENES ELECTIUQUES DANS LES GAZ RAREFIES

parcouru par un courant électrique devient apte à en conduire en même temps un autre dont la force électromotrice peut être aussi faible qu'on veut, i volt par exemple. Ce résultat a été confirmé et étendu par Hertz (*), M. Schuster (^), M. Arrhenius (^), MM. Wiedemann et Ebert (''). Cette expérience peut être aisément réalisée au moyen d'une ampoule à gaz raréfié munie de quatre électrodes : si on fait passer entre deux d'entre elles la décharge d'une bobine d'induction, on constate que le courant d une pile peut alors passer entre les deux autres. Ce courant, toujours appréciable au galvanomètre, se traduit par les apparences ordinaires (gaine négative, lumière positive) dès qu'on atteint 5o ou 60 volts.

La conductibilité acquise par les gaz traversés par des décharges électriques est également mise en évidence par les phénomènes d'écran électrodynamique ou électrostatique qu'ils produisent alors, phénomènes qui ont été observés par M. J.-J. Thomson (^) de la manière suivante : un tube à gaz raréfié est placé dans l'intérieur d'une ampoule à double paroi, autour de laquelle est une spirale métallique parcourue par la décharge oscillante d'une bouteille de Leyde. Sous l'action inductrice de ces décharges, le tube intérieur s'illumine. Si on raréfie l'air du tube extérieur jusqu'à ce qu'il devienne à son tour lumineux, le premier s'éteint.

Signalons encore ce fait singulier, découvert également par M. Hittorf, qu'avec une cathode incandescente la résistance au passage est au moins cent fois plus faible qu'à froid.

Dans un travail récent, M. Bouty (^) montre qu'on doit envisager de la manière suivante les propriétés électriques d'un gaz raréfié : tant que le champ électrique n'atteint pas une certaine valeur qui dépend de la pression, de la nature du

(i) Wied. Annalen, t. XIX, p. 782 et 8i3 (i883).

(2) Proceed, Roy. Soc, t. XLII, p. 3;! (1887).

(3) Wied. Ann,, t. XXXIÏ, p. 545 (1887).

(4) Wied. Ann., t. XXXV, p. 220 (1888).

(5) Philos, magazine^ 5« s., t. XXXII, p. 32 1 et 445 (1891). Récent Researches on Electricity and magnetisni, p. loo. Lumière électrique, t. XLII, p. 491.

(G) Comptes rendus des séances de V Académie des sciences, t. CXXIX, p. i52 ( 18991. Journal de physique, 3« s., t. IX, p. 10 (1900J.

DISCONTINUITE DE LA DÉCHAR(;E ÉLECTHIQL'E \^

gaz, un gaz raréfié se comporte comme un diélectrique parfait ; si le champ dépasse cette valeur critique, la cohésion diélectrique est vaincue, une décharge se produit, toujours accompagnée de la luminescence du gaz, et cette décharge a pour effet d'annuler le champ dans le gaz : celui-ci fait ainsi écran et si l'ampoule qui le contient est placée entre les plateaux d'un condensateur, la décharge a pour effet d'accroître la capacité exactement comme si l'ampoule était remplie par un conducteur.

La valeur critique du champ varie avec la pression ; elle est d'autant plus élevée qu'on s'approche davantage du vide absolu qui serait un diélectrique parfait.

Il résulte de ce qui précède qu'il y a lieu de définir la résistance électrique d'un tube à gaz raréfié par le nombre de volts nécessaires pour vaincre la cohésion diélectrique du gaz. Cette résistance n'est jamais inférieure à 3oo volts. Elle diminue d'abord avec la pression et, vers i"^"^ de mercure passe par un minimum particulier à chaque gaz. Elle augmente ensuite indéfiniment.

Quand la résistance devient considérable, il est commode au point de vue pratique de l'exprimer par une longueur d'étincelle dans l'air, cette longueur étant telle que le courant passe indifféremment dans le tube à décharge ou entre les boules d'un excitateur à étincelles placé en dérivation

Discontinuité delà décharge électrique dans les gaz. — D'après les recherches de ^OI. G. Wiedemann et Ruhlmann (^) et de M. Cantor (-), le courant qui traverse un gaz raréfié est toujours discontinu, même pour de très faibles pressions. Nous reviendrons sur ce phénomène à propos de la dispersion magnétique des rayons cathodiques.

(i) Poggend. Annaleii, t. GXLV, p. 235 et 3G4 (1872). [•i] Wied. Annalen, t. LXYII, p. 481 (1899).

ViLLAKD. Rayons Cathodiques.