Structure fine des éclairs lumineux produits par la décharge d un condensateur à travers un tube à gaz

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1 Structure fine des éclairs lumineux produits par la décharge d un condensateur à travers un tube à gaz Marcel Laporte, Raymonde Pierrejean To cite this version: Marcel Laporte, Raymonde Pierrejean. Structure fine des éclairs lumineux produits par la décharge d un condensateur à travers un tube à gaz. J. Phys. Radium, 1936, 7 (6), pp < /jphysrad: >. <jpa > HAL Id: jpa Submitted on 1 Jan 1936 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

2 La STRUCTURE FINE DES ÉCLAIRS LUMINEUX PRODUITS PAR LA DÉCHARGE D UN CONDENSATEUR A TRAVERS UN TUBE A GAZ Par M. MARCEL LAPORTE et Mlle RAYMONDE PIERREJEAN. Institut de Physique de Nancy. Sommaire On a étudié par la méthode du miroir tournant les éclairs lumineux produits par la décharge d un condensateur à travers un tube à gaz (argon-mercure, à froid ou à chaud; néon) avec ou sans éclateur en série. L analyse des éclairs a pu être poussée jusqu à 10-7 seconde. 1 Tubes argon (p = 4 mm), vapeur de mercure. La structure des éclairs avec éclateur en série, est analogue à froid oa à chaud : ces éclairs se composent d un éclair primaire, présentant une ou plusieurs raies de structure fine, suivi d éclairs secondaires et d une traînée. Ces éclairs secondaires ne semblent pas devoir s interpréter comme résultant d oscillations, mais plutôt comme des fluctuations d intensité. La suppression de l éclateur en série modifie complètement la structure des éclairs, qui, relativement simple, à froid, devient à chaud, extrêmement complexe. 2 Tubes Néon. En l absence d éclateur et avec des capacités variant de 17 à 48 mf, chaque décharge donne lieu à un seul éclair, sans structure fine, dont la durée est une fonction linéaire croissante de la capacité. En présence d un éclateur, la décharge qui donne lieu à un seul éclair sans structure fine pour les grandes capacités, devient oscillante pour des capacités plus faibles ; la période d oscillation varie dans le même sens que la self et la capacité. En aucun cas, dans le néon, on n a mis en évidence les éclairs très brefs de structure fine observés dans le cas de l argon-mercure. Première partie. Tube argon-mercure. Ce travail a été entrepris afin de déterminer les conditions nécessaires pour obtenir des éclairs lumineux très brefs et de durées connues avec la radiation de résonance À du mercure ; ces éclairs devaient être utilisés pour l étude de la propagation de cette radiation dans la vapeur de mercure. Les premiers essais ont donc porté sur des tubes à vapeur de mercure; les éclairs lumineux y étant obtenus par la décharge brusque d un condensateur. Les brûleurs en quartz, de différents modèles, qui ne contiennent que du mercure se prêtent mal à ce mode d utilisation, parce que la pression de la vapeur de mercure étant très faible à la température ordinaire, la tension d allumage est très élevée. Pour éviter cette difficulté, nous avons utilisé un tube en quartz contenant de l argon, sous une pression de 4 mm et quelques gouttelettes de mercure; on sait que de tels tubes, tout au moins quand ils sont alimentés sous tension continue ou en basse fréquence, donnent les radiations du mercure (chocs de seconde espèce) ; il convenait de vérifier s il en était encore ainsi dans le cas de la décharge d un condensateur. Nature des radiations émises. - Pour déterminer la nature des radiations émises lors de la décharge d un condensateur à travers le brûleur argon-mercure, l on a pris, l un au-dessous de l autre sur un même cliché 1 : 1 Le spectre émis par un tube à argon pur (sans mercure, excité en spectre d arc (alimentation sous tension alternative 50 périodes); les fortes raies 4198, 4 266, 4 345, y sont identifiées ; 2 Le spectre émis par le même tube excité par la _ décharge d un condensateur : aux raies présentées par le premier spectre s ajoutent des raies d étincelle; 3 Le spectre émis par le brûleur argon-mercure roid, par décharge d un condensateur ; 41 Le spectre émis par le brûleur (préalablement échauffé), par décharge d un condensateur ; 5 Le spectre émis par le brûleur fonctionnant en régime d arc sous tension continue. Sur le spectre (5) ont été identifiées quelques-unes des raies du mercure, en particulier la forte raie de résonance À ; on retrouve les raies du mercure avec des intensités rela- dans le spectre (4), quoique tives différentes (notamment 2536 et 2 (52) ; le spectre (3) ne présente plus, ou seulement très faiblement, les raies du mercure; par contre, on y retrouve les raies du spectre (2) : argon, arc et étincelle. Etude des éclairs. - méthode utilisée est celle du miroir tournant, qui a été souvent employée pour l étude de l étincelle à la pression atmosphérique; sous basse pression, la brillance de la décharge est beaucoup plus faible : on concentre la lumière sur une fente fine, verticale, placée normalement à l axe d un miroir concave, mobile autour de l axe de rotation vertical du plateau mobile d une sirène (cliché 2). L image de la fente, donnée par le miroir, est reçue sur une plaque photographique. Lorsque le miroir est Article published online by EDP Sciences and available at

3 Cliché 1. Cliché 3. Cliché 5. Cliché ( Cliché 7. Cliché 8. Cliché 9. Cliché i 0. Cliché i1.

4

5 L éclateur 249 immobile, cette image a une largeur 1, lorsque le miroir est entraîné par la sirène, l image de la fenle se déplace avec une grande vitesse ; l élargissement, AI, de l image donne la durée totale de l éclair; l examen du cliché apporte des renseignements sur les phénomènes lumineux qui se succèdent durant l éclair. hypothèse, la vitesse de rotation de la sirène est de 3072/21 tours/s (8777 tours/min), c est ce qui a été vérifié par examen stroboscopique (1). La vitesse de déplacement de l image de la fente, située à une distance d, du sommet du miroir est : v -_-_ 4.7t" d /21 ; cette distance a varié suivant les expériences : pour d = 315 mm, v = 560 m/s, 1 mm de déplacement de l image correspond à ~,8.10-b s. pour d = 700 mm, v mirs, 1 mm de déplacement à 0, s. pour d = 700 mm, v =1. 43 ~ m/s, 1 mm de déplacement à 0,7 i0-6 s. Dans toutes ces expériences, la batterie de condensateurs est chargée à l aide du dispositif classique : transformateur élévateur de tension et kénotrons (fig. 1). Cliché 2. Précisons que le tube à décharge est enfermé dans une hoîte complètement close, dont les parois sont noircies ; une lentille de quartz est enchâssée dans une ouverture de la paroi antérieure; cette lentille doit fournir l image d une petite portion du tube sur la fente ; ce réglage est simplifié en éclairant la fente par une source extérieure, et en déplaçant le tube jusqu à ce que l image de la fente soit à peu près également au point sur la paroi antérieure et sur la paroi postérieure du tube. Il n a pas paru facile de réaliser un dispositif de synchronisation entre l amorçage des décharges et la rotation du miroir : on opère dans l obscurité; en se plaçant derrière la plaque, on aperçoit la lueur des éclairs qui ont la chance de se former sur elle. L action de la soufflerie a pu être poussée jusqu à ce que la sirène émette le sole (3072 vibrations / s) ; cette note étant déterminée avec précision par l audition de battements lents avec un diapason étalonné. De la hauteur du son, on déduit la vitesse de rotation du miroir : le plateau mobile de la sirène utilisée porte 21 trous (répartis sur une circonférence de seulement ~0 mm de diamètre) et le plateau fixe, 2 trous diamétraux ; à cause de la proximité des trous, il est difficile de se rendre compte si l air passe simultanément ou non par les deux trous diamétraux ; dans la première Fjg Eclairs dans un tube argon-mercure froid, - en série avec un éclateur. est réglé de façon que la décharge se produise lorsque la tension de charge des condensateurs atteint la tension de crête fournie par le transformateur : 1600 V; la capacité a varié entre 8 et 14 microfarads. (l) Cette vérification n avait pas été faite lors due la publication aux Comptes Rendus de la note du 24 février 19.~G; nous avions admis, pour la sirène, une vitesse de rotation d(,nx fois plus petite (3U72/~.2); tous les résultats de durée indiqués dans cette note sont à diviser par deux. 1 ~.

6 250 La portion du tube (hauteur : 4 mm, largeur : 1 mm) éclairant la fente est voisine d une électrode du tube à décharge ; un inverseur permet de changer le sens du courant de charge de la batterie : cette électrode devient à volonté, l anode ou la cathode du tube ; on peut ainsi obtenir des éclairs anodiques ou cathodiques. - Sur le cliché ~3, Fig r on voit, en vraie grandeur : au centre, l image de la fente fixe; à droite en haut, un éclair anodique ; à gauche, en bas, un éclair catho dique ; la flèche indique le sens du déplacement d l image ; les éclairs anodiques et cathodiques se re semblent : ils commencent brusquement, la lumièr passe par un maximum, décroît, puis on observe deux quelquefois trois, éclairs de structure fine, de grand intensité et extrêmement brefs (deux raies brillante sur le cliché), qui précèdent de peu la fin de l éclair. La figure 2 reproduit, à échelle réduite, l enregi trement au microphotomètre, de l éclair anodique qu représente ce cliché ; cet enregistrement permet d fixer, avec précision, dans le temps, les différen éléments de la structure fine de l éclair dont la duré totale est de 19, s; Début de fin de l éclair maxim, minim. 11>( raie 2e raie J éclair 0 6,7 12,6 13,~ 1.1, 9 t9, Des clichés ont été pris, dans les mêmes conditions mais avec 14 1J.F ; les éclairs sont plus intenses, leur durées augmentent légèrement avec la capacité, mai ils ont la même structure fine; on y remarque qu l éclair principal, que nous appellerons x éclair pr maire o, est suivi d une longue traînée, dans laquel on distingue des «éclairs secondaires» sensiblemen équidistants, présentant des bords nets, et ayant, peu près, la même durée que la fin de l éclair pr maire, c est-à-dire que la partie de cet éclair qui suit première raie brillante de structure fine. Voici approximativement les données relatives à u cliché pris avec une capacité de 1~ ~.F. La traînée est encore perceptible après ~~0.1U-~ s. La figure 3 représente schématiquement l aspect du cliché difficile à reproduire. 2. Eclairs dans un tube argon-mercure froid sans éclateur. - L amorçage de la décharge dans Fig. 3. Le cliché 4 représente un éclair pris également avec 1 ",6 N.F, l image se formant à 78 cm du miroir au lieu de la durée de l éclair primaire est ~i,7.lq-6, on y distingue les deux raies de structure fine; l étalement est trop grand pour qu on puisse distinguer les éclairs secondaires. Cliché 4. tube, directement relié aux armatures du condensa teur, se fait sous environ, 800 V; il est alors nécessair d employer de grandes capacités pour obtenir de éclairs susceptibles d impressionner les plaques. Le cliché 5 représente la structure d uu éclair corres

7 L étude pondant à la décharge d un condensateur de 24 L aspect est très différent de celui des éclairs précédents on observe une partie lumineuse comportant des maxima et des minima régulièrement espacés et une longue traînée peu lumineuse. L intervalle de temps,entre deux maxima ou deux minima sucessifs est de 0,4. iü-ô s. Le cliché 6 a été pris dans des conditions analogues, mais avec une capacité de 46 yf à la distance d = 78 cm, il est très analogue au cliché 5, en particulier l intervalle de temps entre deux maxima est le même : la structure de l éclair est donc indépendante de la capacité. On remarquera que le second maximum est plus intense que le premier. Fig Eclairs dans un tube argon-mercure chaud; - avec éclateur en série. des éclairs obtenus avec éclateur en série, dont les résultats ont été indiqués dans le cas d un tube froid, c est-à-dire en présence d une tension très faible de la vapeur de mercure, a été reprise à chaud, après que le brûleur ait fonctionné un certain temps en régime d arc sous tensinon continue. La structure des éclairs obtenus dans ces conditions est tout àfait semblable à celle des éclairs pris à froid ; le cliché suivant 7 est en effet tout à fait cnmparable au cliché 3; en particulier il présente une durée comparable et les deux raies brillantes de structure fine ~caractéristiques Eclairs dans un tube argon-mercure chaud, sans éclateur. - Les éclairs obtenus sont complètements différents de ceux obtenus à froid dans les mêmes conditions. Ainsi qu il a été indiqué, le brûleur est préalablement chauffé par passage, pendant quelques minutes, de l arc sous tension continue; la vaporisation du mercure augmente la tension d allumage, qui, si le tube est suffisamment chaud dépasse V, tension de charge des condensateurs; on attend alors que, par refroidissement, l éclair jaillisse sous cette tension. Plusieurs éclairs peuvent être enregistrés au cours du refroidissement progressif; les clichés obtenus sont complètemeut différents de ceux obtenus à froid, et de plus, ils diffèrent notablement les uns des autres ; différences probablement en relation avec les conditions différentes de température, donc de pression de la vapeur de mercure et de la tension d allumage. Le cliché 8 représente un éclaircathodique, pris sous une tension voisine de 16U0 V, avec une capacité de 14 L éclair est d abord peu lumineux, cette luminosité dure un temps assez long (13,3 to-6 s), au cours de cette a émission d un éclair très bref de première phase, il y structure fine; ensuite, l éclair comporte ;une série de maxima et de minima successifs de plus en plus espacés ; la durée totalede l éclair est beaucoup plus grande qu avec le tube froid : on a enregistré des durées aussi longues que ~0-~ s. L enregistrement de ces clichés au microphotomètre permet de préciser la situation dans le temps des éléments de la structure fine; la figure 4 représente, à échelle réduite, l enregistrement du cliché 8. Le cliché 9 représente un éclair anodique, pris dans les mêmes conditions que le cliché 8; on en constate la complète analogie. Cette analogie est assez surprenante, notamment en ce qui concerne l inclinaison très nette de la raie de structure fine, inclinaison qui est la même dans les deux clichés : cette inclinaison correspond à une certaine durée de propagation de l éclair lumineux dans le tube et il est remarquable que le sens de cette propagation soit indépendant de la polarité des électrodes. Nous avons cherché à mettre en évidence si le sens de cette propagation était lié à une dissymétrie du circuit de décharge ; pour cela nous avons cherché à exagérer une dissymétrie possible en introduisant, soit au voisinage de la cathode, soit à celui de l anode, des résistances ou des selfs. Le cliché 10 a été pris en intercalant, soit, auprès de la cathode (éclair 1), soit auprès de l anode (éclair 2) une résistance sans self constituée par un bâtonnet de charbon. en intercalant une bobine de Le cliché 11 a été pris self (20 spires de 14 cm de diamètre, longueur 37 cm en tube de cuivre de 10 mm de diamètre) soit près de la cathode ~éclair 1), soit près de l anode (éclair 2). Par comparaison avec le cliché 9, on voit combien la présence d une résistance ou d une self sur le circuit

8 - La 252 modifie la structure de l éclair, en particulier, combien la présence de la self modifie la durée; mais il n en ressort aucun renseignement bien net concernant le sens clela propagation de l éclair lumineux de structure fine. La complexité des éclairs lumineux obtenus dans un tube argon-mercure, principalement à chaud, nous a paru pouvoir être rattachée aux phénomènes de chocs de seconde espèce ; pour appuyer cette hypothèse nous avons entrepris l étude de la structure des éclairs lumineux dans un gaz pur : le néon. tension d allumage étant de 1 ~~0 V, il est nécessaire pour obtenir des éclairs suffisamment lumineux d utiliser de grandes capacités : les capacités ont varié de 17 à 48 Deuxième partie : Tubes au néon. Nous avons utilisé deux tubes au néon, chacun de 6 mm de diamètre intérieur, de 10 cm de longueur, électrodes cuivre avec dépôt de potassium, contenant du néon spectroscopiquement pur, le premier sous une pression de 5 mm, le second sous une pression de 8 mm de mercure. Les résultats obtenus sont très analogues pour les deux tubes, toutefois, à capacité de la batterie de décharge égale, les éclairs sont plus lumineux dans le tube dont la pression est de 8 mm; sa tension d allumage est également plus élevée ( ). Afin de mettre en évidence la nature des radiations émises, nous avons pris sur un même cliché, l un audessous de l autre, sur plaque panchromatique, quatre spectres : 1. Spectre de l arc à mercure ; 2. Spectre du néon excité sous tension alternative (50 périodes, spectre d a.rc) ; 3. Spectre obtenu par décharge d une batterie de 24 yf (60 décharges dans le tube de 8 mm de pression). 4. Spectre obteuu comme 3 avec le tube, de 5 mm de pression ; la comparaison des clichés montre que, par décharges condensées, les raies du spectre d arc du néon disparaissent presque complètement, notamment les raies rouge-orangé ; il apparaît des raies du spectre d étincelle et avec plus d intensité avec le tube contenant le néon sous la pression de 8 mm; la majeure partie de l énergie est comprise entre et À : nous avons donc conservé l optique de quartz et le miroir concave. L image de la fente a été formée à 79 cm du miroir, sa vitesse de déplacement pour le sol6 donné par la sirène est de m/s; un millimètre sur la plaque correspond à 0, ~ s. i. Eclairs obtenus dans un tube au néon sous une pression de 8 mrn sans éclateur en série. Cliché 13. Les éclairs obtenus dans ces conditions ne «présentent pas de structure Îine» ; le cliché 13 représente deux éclairs pris par décharge de t7,3 ~.F sous V, la durée de l éclair est de s; le cliché 14 a été pris. Cliché 14. dans les mêmes conditions avec une capacité de 22,3 ~F; sa durée est un peu plus longue : 19,6.~0-b s; le cliché (1) Nous avons constaté que les tensions d allumage des deux tubes avaient varié au cours des expériences ; cetle tension est passée de à 1 ~~0 volts pour le tube de 8 mm comme si sa pression avait baissé, par un phénomène d absorption du gaz qui paraît très rapide dans ces décharges condensées. Cliché 15. ~.â correspond à une capacité de 48 ~8.10-e s, sa durée atteint

9 253 Dans l intervalle des capacités utilisées, la durée de J éclair est une fonction linéaire de la capacité, c est-à-,dire, de la quantité d électricité mise en jeu dans la décharge. 2. Tubes Néon avec éclateur en série. ~-- La présence d un éclateur permet de produire la décharge sous tension plus élevée et d obtenir des éclairs suffisamment lumineux avec des capacités beaucoup plus faibles. Le cliché 16 montre l aspect d un éclair (8,5 y.f, parence de deux éclairs avec extinction intermédiaire : la décharge commence à être oscillante ; la durée totale est de 23,8.i0~ s, c est aussi la période de l oscillation puisque le tube s allume à chaque alternance. Le cliché 18 montre l aspect d un éclair obtenu avec une capacité encore plus petite (2,5 J.F, V); on aperçoit nettement la seconde alternance, la durée totale de l éclair égale à la période est plus petite que celle du cliché précédent, elle est de t 4.9U-6 s. Avec des capacités plus faibles encore, on est obligé d augmenter la tension pour obtenir des éclairs suffisamment intenses; le cliché 19 correspond à la décharge Cliché V), il[est analogue à ceux obtenus sans éclateur, la,durée est de s. Cliché i9. de 0,66 u.f chargés sous V; chaque éclair comporte deux oscillations (4 alternances) nettement visibles ; on remarque que la seconde alternance est plus intense que la première; la durée totale de l éclair est de 1 ~. ~0-~ s, la période de 7, s. Le caractère oscillant de la décharge est rendu indubitable par l effet d une self mise en série sur le circuit : le cliché 20 est pris dans les mêmes conditions que le Cliché i 7. r Le cliché t7 montre l aspect d un éclair avec >une capaci i é moindre (6, ), il présente l ap- Cliché 20. précédent, mais avec une self, on observe trois alternances très affaiblies, la durée de l éclair est augmentée, s, la période est presque doublée : s. Cliché 18. On voit que les résultats ainsi obtenus avec un gaz pur sous basse pression, sont analogues aux résultats

10 254 classiques relatifs à la décharge apériodique ou oscillante condensateur à travers une étincelle sous la pression atmosphérique; en particulier lorsque la décharge est oscillante, la période varie rigoureusement comme la puissance 1/~ de la capacité. Comme cas intermédiaire entre la décharge dans le néon pur et la décharge dans un tube argon-mercure où la pression de la vapeur de mercure est mal déterminée, nous nous proposons d étudier la décharge dans un tube Néon-argon, avec de faibles teneurs en argon. La détermination de la durée des décharges permet d évaluer l intensité moyennedes courants qui traversent les tubes à gaz : ces valeurs sont extrêmement élevées, ces courants de de l ordre de à ampères; très grandes intensités et de faibles durées donnent naissance à des phénomènes intéressants, leur étude est facilitée par l enregistrement photographique simultané des éclairs dont l aspect permet de préciser les caractères du courant.