II. — CONSTITUTION DE L'ÉTINCELLE ÉLECTRIQUE

On donne le nom d'étincelle électrique au phénomène lumineux

(*) Pringsheim, /. c.

(>) LivEiNc et Dewar, Proc. Roy. Soc., t. XXX, p. 97 (1880); t. XXllI, p. ^iS (i88a).

qui prend naissance lors du passage brusque et disruptif de Télectricité à travers un gaz.

Nous ne considérerons dans ce qui suit que les étincelles électriques provenant de la décharge d^un condensateur à travers Tair à la pression atmosphérique. Nous ne nous occuperons donc pas de Tétincelle d'induction dont la complexité, variant avec Tappareil d'induction qui lui donne naissance, n'a pas été bien élucidée jusqu'à présent. La constitution de l'étincelle provenant de la décharge d'un condensateur et éclatant dans l'air entre des électrodes métalliques a, au contraire, été élucidée par les élégantes recherches de MM. A. Scbuster et G.-A. HemsalechQ.

Production de fortes étincelles électriques. — Nous allons d'abord indiquer comment l'on peut produire de puissantes étincelles en

Fig. I.

Fig. a.

employant un condensateur. Il faut à cet effet disposer d'un condensateur (bouteille de Leyde ou condensateur plan) et le charger au moyen d'une machine électrostatique ou d'une bobine d'induction. Disons tout de suite que les bobines d'induction sont préférables aux machines statiques pour deux raisons : d'abord parce que, en général, le condensateur est plus vite chargé au moyen d'une bobine d'induction qu'au moyen d'une machine statique, ensuite parce que les machines statiques un peu puissantes sont assez encombrantes, très fragiles et d'un prix très élevé.

Maintenant, lorsque l'on emploie une bobine d'induction, il est toujours préférable de pmtiquer une coupure sur chaque circuit allant au condensateur (fig. i) de manière à empêcher le condensateur de se décharger à travers le secondaire de la bobine d'indue-

(») On the Constilution of the Electric Spark, Phil. Transact., of tlie Royal Society ofLondon. Série A. Vol. igS, pp. 189-2 13 (1899).

G. A. Hembalech, Thèse de doctorat, pp. 1-20, Paris (1901).

tien. Dans la plupart des cas une seule coupure suffit. Il y a, en outre, avantage à ce que les extrémités MN du circuit venant du condensateur soient terminées en boules, pendant que les extrémités AB du circuit venant des bornes du secondaire de la bobine d'induction doivent être effilées. Enfin le condensateun se décharge entre deux électrodes métalliques E,E' isolées Tune de l'autre. La forme de ces dernières importe peu ; cependant, si Ton veut avoir des étincelles bien régulières, la forme, indiquée par la Ogure 2, utilisée par M. Hemsalech ainsi que par moi-même, est préférable.

ClassiûcatioD des étincelles. — Les étincelles obtenues comme il vient d'être dit peuvent présenter un aspect diflférent selon la valeur des constantes électriques du circuit de décharge: suivant sa résistance et sa self-induction. Nous adopterons avec M. Hemsalech la classification suivante :

i** Étincelle ordinaire (ou condensée) ;

2* — oscillante ;

3" — continue ;

4** — intermittente.

Avant d'étudier chacune de ces étincelles en particulier, il convient de dire que, d'après les vues théoriques de Helmholtz et de Lord Kelvin sur la décharge d'un condensateur, Tétincelle obtenue comme il vient d'être dit doit avoir le caractère oscillatoire. Ce fut Feddersen qui, le premier, démontra expérimentalement le caractère oscillatoire d'une étincelle.

I" Etincelle ordinaire. — Lorsque la résistance et la self-induction du circuit de décharge du condensateur sont très faibles, l'étincelle obtenue par la décharge de ce dernier possède un aspect caractéristique et produit en éclatant un bruit sec particulier : c'est l'étincelle ordinaire. Quant à sa constitution, ce sont les belles expériences de MM. A. Sclîuster et G. -A. Hemsalech qui nous l'apprennent. La méthode adoptée par ces physiciens est la méthode spectroscopique. L'on constate d'abord, en regardant une pareille étincelle dans un spectroscope, que son spectre n'est pas dû uniquement au métal constituant les électrodes, mais aussi au gaz dans lequel cette étincelle éclate. 11 y a donc deux spectres différents qui se superposent dans le spectre de l'étincelle ordinaire: le spectre caractéristique du métal constituant les électrodes et le spectre du gaz qui entoure ces dernières. L'on constate de plus que les raies du gaz (l'air, dans

ili^ToniyUK 17

le cas prissent) sont loualisées vt;rs le milieu de l'étincelle qui, observée directement k l'œil ou dans un microscope, présente deux parties bien distinctes: fe trait /umin/^tu^, sorte de mincu GIct allant d'une électrode à l'autre, et l'auréole, sorte de vapeur incandescente, ù aspect nébuleux, qui entoure le trait lumineux (fig. 3); (|iianl aux raies caractérisant le spectre du métal constituant les éleclrodcs, elles sont observables dans loule l'c tendue de l'étincelle, même dans le» parties extrêmes de l'auréoie. — Mais quel est le mécanisuie de la production de l'étincelle électrique? \î.n d'autres termes que se passe t-il dans une étincelle électrique pendant s» très courte durée

(de ■ ' ■ ù — ~ — — de

7 3 ooo I ooo ooo seconde d'après Wlieatslone)? — Voici comment MM. Scbnster et Hemsalech ont résolu ce problème. Leur méthode est "^'6^ une heureuse modification

de la méthode de Feddersen : au lieu d'employer un miroir tournant et de projeter l'image fournie par ce dernier sur un verie dépoli, ces physiciens laissent, au contraire, fixe l'image de l'étincelle, qu'ils fout tomber sur une pellicule photographique montée sur un disque ou sur la périphérie d'un© poulie et l'ont tourner ces derniers à une grande vitesse (vitesse linéaire de l'ordre de loo m/sec) ('), En étudiant minutieusement l'image photographique imprimée sur une pareille pellicule, l'on constate immédiatement que l'image du trait lumineux de l'étincelle n'a pas bougé pendant la rotation de la pellicule, mais que l'image de l'auréole s'est, au contraire, considérablement allongée, surtout vers sa partie médiane. L'interprétation

iMlial,

CdNSTITUrrON DES SPECTRES DÊTWCEr.IXS OSCIl.rj^NTES

(II- ce rùsullat esl ipie la duTFe tîii trait lumineux fst ertré-

niement courte, peiidanl f/iie /'att~ réole a une dtirie rrlativcmrnt bim plus considérable. D'aulrc part, rimnge dti trait lumineux étnnt la première iiniirimée stir lu peilîcule.il en résiilrcfiiie/^ trait lumineux est la première phase do 11 production d'une ùtinrelle: c'cal lui qui marque le ehctnin qtie réiectrifitê s'est frayé h travers Tair entourant et séparant le»

électrodes.

Mais Feddersen a, avons-nous dit, rcmnrquÉ des oscillations dans la déeharge; or, dans la photographie (fig. ')) obtenue par MM. Sehus-

<innt nullement apparentes, effet, qu'à ri^duîrp

ter et [lemsalech, ces dci C'est l'auréole qui les l'étendue de cette dernière en projetant l'étincelle sur In Tente d'un collimateur; en faisant ensuite converger les rayons sortant de ce dernier sur la pellicule photographique inohile (tournant à une vitesse lincaiie de iiKj m/sec.), l'on constate immédiatement la présence des oscillations qui s'y ini priment avec une grande netteté. La ligure 5 donne un agrandissement (5 fois) d'une de ces épreuves obtenues par MM. Schuster et Hemsaicch (').

En comparant les lîguies t\ et 5, on est condu oscillations ont lieu dans l'auréole-, on en conclut de plus

(>) L* Fréqne

e des ujcilInliuDS produites pnr la décharge d'm a M Iruurée égRle b un millian par seroiidc.

la courbure des images de ces oscillations, leur vitesse de propagation à travers le gaz séparant les électrodes est de beaucoup inférieure à celle correspoirdant à la décharge initiale qui donne naissance au trait lumineux, car Timage de ce dernier est une ligne rigoureusement droite (fig. 5), malgré la grande vitesse de déplacement de la pellicule. Une autre question se pose maintenant. Nous avons vu, il y a quelques instants, que Texamen du spectre d'une étincelle ordinaire conduit à admettre l'existence simultanée de deux spectres qui sont superposés : le spectre du métal constituant les électrodes, et le spectre de l'air qui entoure ces dernières. Mais nous ne savons pas encore quel est le rôle spectroscopique du trait lumineux et de l'auréole. Pour élucider cette question, on n'a qu'à intercaler dans le dispositif précédent un prisme sur le trajet des rayons lumineux sortant du collimateur; on obtiendra ainsi sur la pellicule sensible le spectre de l'étincelle éclatant devant la fente du collimateur. En communiquant une grande vitesse de rotation à la poulie qui supporte la pellicule photographique, on constate que les différentes raies du spectre ne se comportent pas de la même manière. Tout d'abord elles sont toutes plus ou moins élargies par suite du déplacement de la pellicule, mais outre cet élargissement, on remarque encore qu'un certain nombre de ces raies sont devenues courbes ; un examen minutieux montre que les raies restées rectilignes appartiennent au spectre de l'air, tandis que les raies devenues courbes appartiennent au spectre du métal constituant les électrodes. De plus, les raies restées droites sont moins élargies que celles devenues courbes ; cela doit tenir évidemment à ce que les vapeurs métalliques restent lumineuses plus longtemps que l'air amené à l'incandescence par la décharge initiale Q. La mesure de la courbure des raies métalliques permet en outre d'évaluer les vitesses de diffusion des vapeurs métalliques produisant une raie spectrale donnée. C'est ainsi que la vitesse moyenne de diffusion correspondant aux particules provenant d'électrodes en aluminium a été trouvée égale à 1890 m/sec. Le bismuth a donné des résultats très intéressants, en ce que son spectre possède des raies dont la vitesse moyenne de diffusion des particules y correspondante^ est très faible, et d'autres raies pour lesquelles la vitesse de diffusion correspondante est au contraire très considérable.

(') Un exemple Bxera mieux cette dur<^e : on a trouvé que l'élargissement du doublçt vert du spectre de l'azote correspond ù une durée de luminosité de l'ordre du dix-millionième de seconde.

iO CONSTITUTION DES SPECTRES D'ÉTINCELLES OSCILLANTES

En résumé le mécanisme de la formation d^une étincelle ordinaire est le suivant :

La couche d'air séparant les électrodes est d'abord percée par la décharge initiale et le chemin que cette dernière s'est frayé à travers cet espace rempli d'air devient incandescent par suite de ce passage brusque de Téleclricité : c'est le trait lumineux, dirigé suivant l'axe de l'étincelle. La chaleur produite parla décharge volatilise ensuite une certaine quantité du métal constituant les électrodes et la vapeur métallique produite qui, vu sa haute température, est incandescente, se diffuse dans l'espace compris entre les électrodes: c'est l'auréole (*). Les oscillations extrêmement rapides qui accompagnent la décharge initiale sont donc obligées de traverser cette vapeur et ont pour conséquence un réchauffement de cette dernière.

2° Etincelle oscillante. — Intercalons maintenant une bobine de self-induction (sans noyau métallique) dans le circuit de décharge. Que va-t-il s'y passer ? — Théoriquement, la formule de Lord Kelvin,

t = 2Vlc

où T est la période de l'oscillation, L la self-induction et C la capacité du circuit de décharge, nous indique que lorsque C restant constant L augmente, T augmentera aussi ; la fréquence -= des oscillations sera par suite diminuée : nous aurons donc bien moins d'oscillations que dans le cas précédent. Pour fixer les idées, prenons l'exemple numérique suivant fourni par les expériences de M. Hemsalech. 11 employa un condensateur de o,oi microfarad de capacité, et une bobine de self-induction dont le coefficient de self-induction était de 0,0^2 henry. Dans ces conditions, le nombre d'oscillations fut trouvé égal à 65oo par seconde ; chiffre de beaucoup inférieur à celui qui correspond au cas d'une étincelle ordinaire (v. p. 18). La durée de la décharge a, en outre, subi une énorme augmentation : elle atteint

dans le cas d'un circuit de décharge oscillant de seconde au lieu

de — > chiffre correspondant au cas d'une étincelle ordinaire.

(*) Dans une récente étude (G. R., 35 juin 1906), M. Hemsalech a constaté que la décharg* initiale ne produit pas de vapeur métallique : cette dernière est produite uniquement par les oscillations dont la première en produit la plus grande quantité. De plus la vapeur métallique est projetée d'une des électrodes seulement, l'électrode positive.

(jut' le irail

Au point de vue de l'aspect de l'élincelle, on reinarqii lumineux l'aiblit énormément et finit par devenir pri ble pendant que l'auréole prend une forme de plus en phis régulière (sphore ou elltp9oïde(fig. ('>)selon la longueur de l'élincel le).

Quant à l'éi-Uil de l'iïtiucello, elle varie avec le métal constituant les élertrodes. Avec le fer et le cobalt, l'insertion d'une self-induction dans le circuit de décharge fait baisser l'éclat de l'étincelle, mais avec une self-induction plus forte l'éclat augmente, au contraire, jusqu'à atteindre un maximum très net. Avec des électrodes en Zn, Cd, Pb, etc., on obtient qualitativement même variation d'éclat ; «riilerrifnt hi valfiir de lu s<-lf-în<lii

tion à employer pour obtenir ces variations d'éclat varie avec le métal constituant les électrodes.

En photographiant une élincelle oscillante sur une pellicule photo-

îî COSSTITCTION IIKS SPECTRES nÉTINCELLKS OSIÎILUNTES

graphique moltile, tVm roiiiarqiK! i[uv I» tit.Hrliai'^ti initiale est presque invisible pendant que les oscillations qui la suivent Bont li-ès marquées (fig. 7). MM. Stliuster et Honisïileeh, en (étudiant une pareillu tUincelle spectroscopiqiiemenl. uni trouvé que les raies appartenant au npecti-e (le l'air ont complètement disparu pendant quR Icb raies appartenant au spectre du uiiital restent nettement visibles el sont douées d'uD éclat remarquable. L'on est donc ainsi (ixil- sur le mécanisme de la production d'une étincelle oscillante. D'abord, sans self-induction dans le circuit de décharge, la décharge est brusipie el presque toute l'énergie est dépensée dans la décharge initiale. Lorsque l'on insère une self-induction dans le circuit de décharge, la décharge du condensateur est ralentit', (■■ inlotilisscnienl provenant de lu uaisiiancc dvs

courants induits dans la huhine de self-induction, de sens opposés, qui empêchent une décharge brusque ; de sorte que la décharge initiale consoniiue peu d'énergie, le restant de cette dernière se répartissant ensuite entre les oscillations qui la suivent. La décharge initiale perce la couche d'air qui sépare les électrodes ; son énergie n'est cependant pas sufTisante pour chauffer l'air jus(|u'à l'incandescence, mais bientôt arrive la première oscillation qui produit une certaine quantité de vapeur métallique ; les oscillations qui suivent la première ont un eiïet analogue, de sorte que la majeure partie de l'énergie est utilisée pour produire de la vapeur métallique, la chauffer et la rendre incandescente.

Avec certains métaux, comme le cuivre et l'aluminium par exemple, il se trouve que la quantité de vapeur produite par la première oscillation est trop faible pour remplir complètement t'espace qui sépare les deux électrodes, de sorte que les oscillations qui suivent passent en partie dans l'air rendu conducteur par la décharge initiale ; il en résulte une superposition du spectre de bandes dp l'azote au spectre métallique. La ligure ci-contre (fig. 8) indique assez nettement la différence entre le spectre d'une étincelle ordinaire et celui d'une étincelle oscillante. Le premier spectre correspond à l'étinrelle

HISTOBlQtTE «

ordinaire (élcilrodes en nicliel); U- sfcoml r<'|irL-3erik- le spectre de l'élinceUe oscillante du môme mtilal. Dans le premier, le speerre de l'air est superposé à ceini du nickel, do sorte que les raies de ce dernier sont Ibrlement masquées; dans le second, la seir-indiiction a complètement éliminé les raies de l'air.

Influence d'une self-indutlwn à noyau mHalliqiiP sur la fumtUulïnn île rélincelle oacUlanle. — Mous n'avons considéré dans ce qui précède que des bobines de self-induction sans nnif nu métallique. Qu"arrîvc-t-il maintenant si l'on inlrodiiit dans la bobine de seir-inrliiclioii un noyau

métalli(|uc ? Lord Rajloi-^li (') a été le premier à faire remarquer que ['introduction d'un noyau de fer suivant l'axe d'une bobine de selfinduction faisant partie du circuit de décharge d'un condensateur a pour conséquence la diminution du nombre des oscillations de la décharge. M. J.-J. Thomson (') a, de son côté, mis en évidence l'action de 1» nature du métal utilisé comme noyau de bobine de self-înduction. Enfin M. G.-A. nemsalech(^ a précisé les conditions de ces expériences de Thomson en se servant de la méthode photographique ainsi que d'un autre procédé qu'il vient d'employer tout récomment(') et qui consisie à souiller l'élincelle au moyen d'un courant d'air ; c'est ainsi qu'il a conslatê qu'avec un cylindre en lûle niînce de fer

(') Sait OuvEi

(•) J.-J. TltOM!

C) G.-A. Hi

DGK, MoiUm Vitiit af FAeetrlfhy. p. 4^3

Siaithtoaian Heporl for. tSiii, f, aSi- Wnsliingiun (|Ni|3).

H.,l. C:\XX, (I, «((«ll.|c«i); Jommilde l'hyaiqur. .i«iil il,iio.

i4 CONSTITUTION DES SPECTRES D'ÉTINCELLES OSCILLANTES

les oscillations sont presque détruites sans toutefois que leur fréquence en soit sensiblement modifiée ; pendant qu^avec un noyau en fils de fer isolés la fréquence est diminuée et Tamortissement est bien moins prononcé que dans le premier cas. Cette différence d'effets est due à ce que, dans le premier cas, il y a deux facteurs qui interviennent: les courants de Foucault dans le cylindre de tôle et Thystérésis de ce dernier ; dans le second cas, les courants de Foucault sont presque coçiplètément annihilés. On peut d'ailleurs mettre en évidence Teffet des courants de Foucault en utilisant un tube en tôle de zinc que Ton introduit progressivement suivant Taxe de la bobine de self-induction: on constate que la fréquence des oscillations augmente avec l'introduction du tube de zinc. Mais il suffit de donner un trait de scie le long de Tune des génératrices du tube pour que les courants de Foucault soient gênés dans leur circulation et que l'effet précédent ne puisse plus se manifester.

// est donc d'une importance capitale de n'employer, dans Fétude des étincelles oscillantes, que des bobines de self-induction enroulées sur un noyau non métallique (bois, carton, paraffine, etc.).

3® Etincelle continue. — Lorsque Ton augmente progressivement la résistance du circuit de décharge en y insérant une résistance liquide (tube en U contenant de Teau faiblement acidulée, ou fil mouillé), le nombre des oscillations de la décharge diminue beaucoup et finit par devenir égal à zéro ; les oscillations disparaissent complètement : la décharge devient continue, La durée de l'étincelle est beaucoup accrue et le miroir tournant en donne comme image une longue nappe de feu.

4** Etincelle intermittente. — En augmentant davantage la résistance du circuit de décharge, la décharge devient, pour une résistance bien définie, intermittente et est constituée par une série de faibles étincelles se suivant Pj j^ à des intervalles de temps croissants (fîg. lo). Cette

étincelle intermittente est très difïicile à obtenir (étincelle soufllée au moyen d'un courant d'air) et la vitesse de l'interrupteur de la bobine d'induction influe beaucoup sur le succès de son obtention.

C'est à peu près tout ce que l'on connaît actuellement sur la nature et la constilution dos étincelles continues et intermittentes. 11 convient

cependant d'ajouter que M. Hemsalech en poursuit l'étude et qu'il y a lieu d'espérer que Ton sera prochainement fixé sur leur nature.