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Submitted on 1 Jan 1903

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Étude des ions d’une flamme salée ; - effet HallGeorges Moreau

To cite this version:Georges Moreau. Étude des ions d’une flamme salée ; - effet Hall. J. Phys. Theor. Appl., 1903, 2 (1),pp.558-569. �10.1051/jphystap:019030020055801�. �jpa-00240803�

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r 1la valeur absolue de 2013 est plus petite en deçà du foyer qu’au delà ;cela veut dire que les positions moyennes des maximums d’intensitésur l’axe doivent alors être mieux définies en deçà du foyer qu’audelà. C’est sans doute pour cette raison que, dans l’expérience bienconnue d’Arago, les maximums et minimums de diffraction produitspar la lumière d’une étoile au foyer d’une lunette se voient plus net-tement quand on enfonce l’oculaire de la lunette que si on le retire.Les conditions de netteté des maximums paraissent être inversesdans l’expérience de M. Blondlot, et cela pourrait tenir à ce que le

, quartz, absorbant fortement les radiations n, comme le pense

M. Poincaré, aurait une dispersion anomale

12 juin 1903.

ÉTUDE DES IONS D’UNE FLAMME SALÉE ; 2014 EFFET HALL.

Par M. GEOHGES MOREAU.

1. - CONDUCTIBILITÉ D’UNE FLAMME.

Un champ électrique est établi entre les plateaux d’un petit con-densateur plan plongé dans la flamme très chaude d’un bec Bunsen,et on note au galvanomètre le courant 1 qui traverse la flamme pourune force électromotrice E. Le courazlt I, d’abord proportionnel à E,croît ensuite lentement et tend vers une valeur limite pour de grandesvaleurs de E. La conductibilité varie comme celle des gaz ionisés parles rayons Rôntgen, avec cette différence qu’elle atteint moins vite

sa valeur limite.

Si on charge la flamme de vapeurs salines par pulvérisation d’unesolution de concentration connue (procédé Gouy), on observe uneaugmentation très nette de conductibilité, s’il s’agit d’un sel alcalinsou et négligeable avec tout autre sel ; la vapeur

d’eau, les solutions acides ne sont pas plus conductrices que laflamme pure.

1° Pour une flamme de concentration fixe, la courbe de conduc-

tibilité qui traduit l’équation 1 = f (E) a même allure que celle de

la flamme pure. Elle ne dépend que du métal et non du radical acide

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019030020055801

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du sel. L’ordre de conduction décroissante est : caesium, rubidium,potassium, sodium, lithium, thallium. C’est précisément celui de

l’effet photo-électrique fixé par Elster et Geit-,el, et d’ailleurs une

remarquable similitude existe entre les courbes de conduction de

Stoletow et celle des flammes.

2° Loi d’Arrhénius. - Pour une mème vapeur saline, la conduc-tibilité croît comme la racine carrée de la concentration de la solution

vaporisée.Ionisation de la flamme. - D’après Arrhéniiis, la vapeur saline

est dissociée par la haute température de la flamme, à la façon dessolutions électrolytes, le métal portant la charge positive et OH lacharge négative. La dissociation, très faible, serait réglée par la

formule d’Osi,vald, d’où la proportionnalité à la racine carrée de laconcentration, et elle se produirait également dans tout le corps dela flamme.

Les expériences suivantes me semblent établir que l’explicationd’Arrhénius n’est pas juste.

~.° Dans une flamme salée, on superpose deux condensateurs M etN, l’inférieur 1VI pouvant être chargé à une différence de potentielfournissant un courant voisin du courant limite. La courbe de con-

ductibilité observée avec N est la même que NI soit chargé ou non.L’ionisation n’existe donc pas avant l’introduction des condensateurs,car tous les ions seraient absorbés par M ;

‘~~° Considérons un système de trois flammes A, B, C, qui brûlentcôte à côte en se frôlant légèrement, B étant placé entre A et C. Uncondensateur plan a ses armatures dans les flammes extrêmes A etC. On note la conductibilité 1. des flammes pures pour une forte dif-ference de potentiel E, l’armature C étant cathode, et on fait ensuiteles observations suivantes :

B1..) A est chargée de vapeurs salines ; on trouve un courant Ia peudifférent de 10.

~3) B est seule chargée de vapeurs salines ; on trouve I~ très voisinde Io.

y) C, qui contient la cathode, est seule salée ; le courant Iy est con-szdérabLement plus élevé que 10.

Il résulte de ces expériences que l’ionisation de la vapeur salinene se produit notablement que si elle touche la cathode.

~) Les observations (J. et y peuvent être faites plus simplementavec deux flammes A et B en contact, dont l’une B est chargée de

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vapeurs salines. Si l’électrode B est cathode, le courant passe faci-

lement ; si elle est anode, le courant n’est sensible que pour de fortesdifférences de potentiel.

L’expérience ô est à rapprocher des suivantes :1° Si on éclaire le plateau négatif d’un condensateur en zinc, on

constate une rapide décharge du plateau positif. Le courant de dé-charge est presque nul si ce dernier seul est éclairé (effet photo-électrique) ;

2° Un filament de carbone incandescent dans une atmosphère d’hy-drogène charge négativement tout conducteur voisin, et un courants’établira facilement entre le filament et ce conducteur, si le premierest cathode (effet Edison).Dans les deux cas, Thomson a établi Inexistence de charges néga-

tives émises par le filament ou le métal éclairé. On peut se demanders’il n’en est pas de même dans les flammes, si la cathode n’est paselle-même le siège d’un rayonnement de charges négatives. L’étudesuivante semble répondre affirmativement.

Ionisation au voisinage de la cathode. - On détermine la conduc-tibilité d’une flamme salée en déplaçant l’anode vis-à-vis de la cathodefixe. On opère avec un champ électrique constant assez élevé pourque le courant ne diffère pas trop de la valeur limite. Presque tousles ions produits par seconde au voisinage de la cathode concourentà la conductibilité et on n’a pas à se préoccuper de ceux qui dispa-raissent par recombinaison ou entraînement du courant gazeux de la

flamme. On doit vérifier avec un couple Le Chatelier fixé à la cathodeque la température de celle-ci ne s’abaisse pas sensiblement lorsquel’anode est voisine. Dans ces conditions, on trouve que la conduc-tibilité est exactement représentée par la formule (1) :

dans laquelle x est la distance des deux électrodes, X une constanteindépendante du sel vaporisé, 1, une grandeur qui varie d’après laloi d’Arrhénius.On tire de (1)

Or dl

résente l’ionisation à la distance x de la cathode, pourdx rep IonIsatIon a a Istance x e a cat 0 e, pour

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une tranche unité; il suit de là que l’ionisation varie en progressiongéométrique décroissante quand x croît linéairement.Ce résultat est analogue à celui qu’a trouvé Rutherford pour l’ioni-

sation d’un gaz par une substance radioactive.

Rayonnement cathodique des - La formule (2) jointe àl’observation ~, qui rapproche les trois phénomènes, conductibilitéd’une flamme salée, effet photo-électrique, effet Edison, conduisenà considérer l’ionisation d’une flamme salée comme due à un rayon-nement cathodique, dont l’origine est à la surface de contact de lavapeur incandescente et de la cathode. Ce rayonnement n’existe quesi la vapeur touche la catllode et provient de la vapeur et non del’électrode, car, s’il en était autrement, on observerait une conductionnette dans l’expérience (3. On peut supposer que, gràce à l’énergiecinétique communiquée par la cathode incandescente à la couche

adjacente de vapeur, les corpuscules de Thomson sont détachés desmolécules de vapeur, lancés dans la flamme qu’ils ionisent si leurvitesse est assez grande. Cette dissociation corpusculaire sera surtoutactive à l’électrode négative à cause de la charge négative.

Si on admet le rayonnement cathodique d’une flamme, on peutexpliquer les principaux caractères de sa conduction :

1° Puisqu’un acide n’est pas plus conducteu r que la flamme pure,c’est que les corpuscules sont pris au métal du sel ; alors les métauxqui se dissocient facilement sous l’action des radiations ultra-violettes

’

présenteront le maximum de conductibilité. En fait, on sait que l’ordredes métaux est le même pour les deux phénomènes et les courbes deconductibilité analogues. Les atomes métalliques sont considérés

ainsi comme des édifices comprenant les électrons qui gravitentautour d’un noyau central. Il sera plus ou moins simple de détacherun corpuscule suivant la nature de l’édifice, c’est-à-dire du métal, etune conductibilité nette de la vapeur d’un sel de cuivre exigera uneincandescence plus intense que pour un sel de potassium ;

-

2° La conductibilité ou la dissociation cathodique augmententrapidement avec la température de l’électrode. Elle semble due à

l’énergie cinétique que celle-ci communique à la vapeur. Ceci étant,la conductibilité sera proportionnelle à l’intensité des radiations

émises par la flamme. Or M. Gouy a montré que le rayonnementd’une flamme salée est proportionnel à la racine carrée de la densitéde la vapeur, c’est-à-dire à la racine carrée de la concentration de la

solution vaporisée, d’où la loi d’Arrllénius. Cependant il ne faut pas

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s’attendre à une proportionnalité rigoureuse, car la densité de la

vapeur ne croît pas aussi vite que la concentration moléculaire : les

sels de sodium, d’après M. Gouy, satisfont le mieux à la règle ; c’estce qu’on observe également pour la conductibilité.

II. - MOBILITÉS DES IONS D’UNE FLAMME SALEE.

Les ions produits dans le corps de la flamme par le rayonnementcathodique sont séparés par un champ électrique et se déplacentdans le milieu avec des vitesses qu’on peut calculer si on a mesuré

pour chacun sa mobilitê K ou vitesse dans un champ unité. La con-naissance des mobilités renseigne aussi sur la grosseur et la naturedes ions.

.lVléthode de mesure. - Deux flammes A et B 1) d’égalesdimensions brûlent côte à côte en se frôlant légèrelnent suivant la

majeure partie de leur hauteur. Elles sont réglées de façon que les

cônes bleus de base aient même longueur, de sorte que les vitesses

verticales des filets gazeux sont égales. ,

FIG. 4.

La flamme A est pure et l’autre B cliargée de vapeurs salines

alcalines, de concentration connue. Un condensateur plan en platinea l’une de ses électrodes dans A et l’autre dans B. On le charge à unedifférence de potentiel E, B étant cathode, par exemple. Les ionsnégatifs se déplacent de B vers A, pénètrent dans la flamme pure en

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traversant S. Comme il n’y a pas d’ionisation du sel dans A, tous lesions qui rencontrent le plateau A viendront de l’autre flamme.On pose :

v sera la vitesse du courant gazeux ascendant de la flamme pure ;V la vitesse des ions négatifs, pour le champ X qui correspond à E ;p, le nombre d’ions négatifs par unité de volume en S ;e, charge d’un ion.

’

Il sortira par seconde de la flamme salée, à travers une surface 6

égale à celle des électrodes et dans la direction CD, un nombre

d’ions négatifs p V cr dont la fraction 1 rencontrera l’élec-n

trode A ; donc le courant 1 sera :

et, puisque V - KX,

avec

D’après (3), le courant n’existe que si X dépasse une certaine valeurX., et il sera proportionnel à X - X~. En fait, p est fonction de X, etla courbe de conductibilité qu’on obtient, quand X varie, est celled’une flamme salée contenant les deux électrodes, déplacée paral-lèlement à l’axe des X, de X0. Elle sera une droite pour les faibleschamps et s’inclinera lentement pour donner le courant limite.

Voici quelques observations faites avec les données suivantes :

Distance des électrodes, L = 3~~,~.

564

Dans ce tableau l’expression M ou M ou n définit la concentration, p 16 n

de la flamme salée.

Elle signifie que la solution pulvérisée contient par litre d’eau la

fraction i du poids moléculaire du sel.n

"

Le courant 1 est la différence entre le courant total observé quandla flamme B est salée et le courant noté quand elle est pure. Il est

exprimé en millimètres de l’échelle du galvanomètre, à raison de

i40 millimètres pour un microampère. La température indiquéepar un couple Le Chatelier déplacé entre A et B est comprise entre1600 et 1 "100° .

La courbe de conductibilité construite avec les nombres de cetableau ou ceux relatifs à d’autres sels alcalins et d’autres concen-

trations, a la forme générale de 2.

FiG. 2.

Le tronçon Ohm est ordinairement peu régulier et change, mêmedans deux observations successives. Il doit être dû à la faible diifu-

sion de la vapeur saline d’une flamme vers l’autre. Au contraire, la

partie rectiligne 3IN et la partie NP sont bien définies : la force

électromotrices E,, fournit le champ X, de la formule (4).La méthode de mesure d’une mobilité K consiste donc à observer

Eo à en déduire Xo, et K avec la formule (4), si on a préalablementdéterminé v. -

Mesure de v. -- v est la vitesse d’entraînement du courant gazeuxde la flamme pure.On ne peut songer à évaluer d’une façon précise v en observant

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simplement la vitesse du courant de gaz qui pénètre dans le brûleur,car, pour la combustion, il s’adjoint une masse considérable d’airprisà la base du brûler, et autour de la flamme.

J’ai utilisé le procédé suivant, qui ne présente pas d’objectionssérieuses. Un tube horizontal T, de faible section, lance dans la

flamme au-dessous du cône bleu un courant d’air de vitesse cons-

tante v, fourni par une trompe. Il s’est chargé de sel de sodium en

passant dans une solution. Ce courant d’air illumine la flamme, et le

profil de la partie illuminée est rectiligne au voisinage de l’originedu tube T. Soit x l’inclinaison de cette droite sur l’horizontale Tx,on a :

On mesure x en observant au calhrtomètrc l’ordonnée et l’abscisse

d’un point de la droites, et on obtient facilement des valeurs très con-cordantes de tang « avec un tube T suffisamment fin.

°

Comme v varie avec la hauteur du cône bleu de base de la flamme,il faut fixer celle-ci une fois pour toutes. Avec la hauteur de 6 centi-mètres que j’ai conservée pour toutes les mesures, on a :

Détermination de Xo. - Le champ électrique du condensateurn’est pas uniforme pour deux raisons :

1° Les ions positifs et négatifs n’ont pas la même densité en touspoints de la flamme salée B, et il n’y a pas d’ions positifs dans laflamme A ;

~° L’éloignement forcé des électrodes A et B peut gêner l’unifor-mité du champ. On peut néanmoins négliger ce défaut d’uniformité,car l’erreur résultante est de l’ordre de celles des observations de

conductibilité, car en comparant les valeurs de K obtenues avec des

positions différentes des armatures dans les flammes, et supposantdans tous les cas le champ uniforme, on n’a observé aucune variationsystématique tant que la distance des électrodes ne dépasse pas 4 cen-timètres.

Ions positifs. - La même méthode est applicable ions positifs.En chargeant positivement l’électrode B (fig. i), on observe une

conductibilité beaucoup plus faible que si B est cathode. Il faudra

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employer des champs plus intenses que pour l’étude des ions

négatifs. Il importe ici de régler les deux flammes afin d’éviter toutediffusion de la vapeur saline de l’une vers l’autre, qui provoqueraitune dissociation cathodique au contact de l’électrode A, et une

ascension rapide de la courbe de conductibilité au voisinage del’origine.

Résultats. - 1° Ions neyatils. - On a trouvé pour les mobilités

négatives les nombres suivants, représentant en centimètres et parseconde la vitesse dans un champ de 1 volt par centimètre.

2° Ions positifs. - Quelles que soient la concentration et la naturedu sel alcalin, on trouve le même nombre :

En résumé : ~ _ _

Il A température constante et pour une même concentration, lamobilité de l’ion négatif d’une flamme salée est indépendante duradical ou du sel. Elle varie avec le en raison inverse

de la racine carrée (lu poids atomique.Ainsi :

2° La mobilité négative augmente notablement quand la concen-tration diminue et tend vers la même limite pour les sels de potas-sium et de sodium. Ce fait est à rapprocher de l’accroissement desmobilités des Ions des gaz quand la pression diminue (Rutherford,Langevin) ;

3° La mobilité de l’ion positif est plus faible que celle de l’ion

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négatif. Elle est indépendante de la concentration et la même pourles sels de potassium et de sodium.

des ions. -- Considérons un milieu gazeux à travers lequeldiffusent des ions d’une même espèce, sous l’action d’un champélectrique unité. Si on appelle ti et p la densité et la pression desions dans une tranche normale à la direction de diffusion, D le coeffi-cient de diffusion, K la mobilité, e et m la charge et la masse d’union, l’équation générale de diffusion des gaz donne :

Nous appliquons cette formule à un atome d’hydrogène porteurde la charge de l’électrolyse, en admettant que le coefficient de diffu-sion D est donné par l’expression :

que fournit la théorie cinétique des gaz. En attribuant à Do la

valeur 0,64 que l’expérience fournit pour la diffusion de l’hydrogèneà travers l’oxyde de carbone, on trouve à 2000°, température prisepour la flamme :

Les mobilités négatives sont comprises entre 1350 et 600 centi-

mètres et sont du même ordre de grandeur que la vitesse de l’hydro-gène. Comme la charge d’nn ion égale celle de l’hydrogène, il

résulte que sa masse est comparable à celle de l’atome d’hydrogène.D’après les expériences de Lodschmidt, le coefficient de diffusion

de deux gaz varie en raison inverse de la racine carrée du produitdes densités; donc, pour un gaz de poids atomique on aura :

Ce qui nous conduit immédiatement à la loi observée K VM = Cte.Il suit que l’ion négatif d’une flamme salée est constitué par l’atomeou une fraction de l’atome du métal de la vapeur. A l’inverse de ce

qui se passe dans les solutions électrolytes ordinaires, c’est le métalqui véhicule les charges négatives. L’ion positif sera formé du restede la molécule saline et sa masse ne variera pas tellement d’un sel

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à l’autre que la mobilité puisse être modifiée sensiblement. Les ionsdes flammes salées sont donc plus simples que ceux des gaz à latempérature ordinaire et, au point de vue de la masse, sont inter-médiaires entre ceux-ci et les corpuscules de Thomson.

III. -- EFFET HALL.

Soit X un champ électrique établi dans une flamme salée, et Il unchamp magnétique perpendiculaire au premier. Normalement auplan XH se produit un champ électrique Z, et nous appelons, comme

d’habitude, coefficient de rotation de Hall, R, le quotient Z /HXû-xMarx a démontré Annalen, 1900) l’existence du champ Z

dans les flammes chargées de vapeurs alcalines et mesuré R pourdifférentes concentrations de K(:l et NaCl.

En admettant que H exerce sur chaque ion porteur de charge etqui se meut dans le champ X une action électro-magnétique paral-lèle à Z, on calcule aisément que R est donné par (5) :

où K2 et I{1 sont les mobilités des ions positifs et négatifs. Cetterelation néglige les chutes de pression des ions autour des élec-trodes secondaires de Ilall et qui ont pour effet de diminuer R. Onpeut comparer cette formule aux observations de Marx, puisqu’on amesuré les mobilités.

(R est exprimé en C. G. S.)Pour le calcul relatif à la flamme pure et aux solutions de concen-

tration deux fois normale, on s’est servi des mobilités limites oudéduites par extrapolation des valeurs mesurées. Les nombres

calculés pour R sont tous un peu supérieurs à ceux observés commele veut la formule (5), qui représente assez bien, sous sa forme simple,l’allure du phénomène. C’est la première fois qu’on a vérifié de façonprécise la théorie de l’effet Hall et expliqué sa variation avec laconcentration dans le cas des vapeurs.

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Dans la formule (5), l’influence de la mobilité négative li~ est pré-dominante, à cause de sa grande valeur. Or on sait que K, y M = Ct~,donc on doit avoir :

où M est le poids atomique du métal. Cette relation (6) résulte desexpériences de Marx sur les vapeurs de sels de Gs, Rb, K, Na, Li.Elle confirme donc la loi des mobilités négatives des ions des flammessalées.

6 mai 1903.

CHALEURS SPÉCIFIQUES DE L’ALUMINIUM ET DE SES SELS SOLIDES ;

Par M. E. BAUD.

J’ai utilisé pour ces déterminations la méthode décrite parM. Berthelot pour les liquides(’), avec quelques légères modifi-

cations.

La substance bien pure et finement pulvérisée était introduite

dans une petite fiole en verre très mince munie d’un petit bouchon de

1" d ’l’ 1

liège donnant passage à un thermomètre au

L’appareil était placé dans un bain-marie spécial permettantd’élever très lentement la température. De cette façon il y a à peu

près équilibre entre la température de la fiole et celle de l’eau quil’entoure. Néanmoins il y a toujours une différencie de quelquesdixièmes en moins pour la fiole.

La température voulue étant à peu près atteinte, on cesse de

chauffeur. Celle de la fiole continue à s’élever pendant quelquesminutes, tandis que celle de l’eau s’abaisse ; il arrive un moment ois

les indications des deux thermomètres concordent exactement.

On enlève alors la fiole tenue par la tige de son thermomètre et onla plonge dans l’eau du calorimètre.La durée du trajet de la fiole dans l’air est de 1 à 2 secondes.

’

Je me suis assuré par des expériences comparatives que, dans cesconditions, la quantité de chaleur perdue était négligeable.

(1) de ChÏ1n. et de Pliys., t. XII, p. 559 ; - et Mécan. chÙn., t. 1. p, 2’7~,