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Submitted on 1 Jan 1907

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Électromètre enregistreur des ions de l’atmosphèreM.P. Langevin, M. Moulin

To cite this version:M.P. Langevin, M. Moulin. Électromètre enregistreur des ions de l’atmosphère. Radium (Paris), 1907,4 (6), pp.218-229. �10.1051/radium:0190700406021801�. �jpa-00242245�

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cule oc est constituée par de l’hélium. Or les mesures,

faites par M. Rutherford, du rapporte e m des rayons xémis par les diverses substances radioactives con-

duisent à admettre pour la particule 7., soit une

charge électrique double de la charge élémentaireordinaire avec une masse égale u celle de l’atome

d’hélium, soit une masse égale à la moitié de celle de

l’atomc d’hélium avec la charge élëmenlaire ordinaire.Dans cette deuxième manière de voir, l’hélium existe-rait aussi d’abord sons une forme seiiii-atoiniqueavant d’exister sous sa forme mono-atomique ordi-naire, comme il a été constaté avec les sels de radium

par lI)1. Ramsay et Soddy et par moi-mème avec lessels d’actinium.

10 juin 1907,

Électromètre enregistreur des ions de l’atmosphèrePar M. P. LANGEVIN et M. MOULIN

[Collège de France et École de Physique et de Chimie.]

Es expériences d’Elster et Geilel ’ 1 et de C. T. R.

L Vilson ont montré que la conductibilité per-manente de l’air est due à la présence d’ions

des .deux signes produits par les substances radioac-tives qui y existent toujours en très petite quantité, etpeut-être aussi par des radiations pénétrantes, d’ori-

gine terrestre ou solaire.Le rôle important joué par ces ionq dans divers phé-

nomènes météorologiques, tels que la production et lesvariations du champ électrique terrestre, les variationsdu champ magnétique attribuées par M. Schuster’’aux courants induis dans l’air conducteur par son dé-

placement dans la portion permanente de ce champmagnétique, la production des nuages par condensa-tion de la vapeur d’eau devenue sursaturante par re-froidissement ou ascension des masses d’air humidesur les centres chargées fonctionnant comme germenspour la formation des gouttes d’eau, rend intéressanteet nécessaire une observation continue de l’ionisation

atmosphérique.Depuis quelques années cette question est à 1"étude

et diverses méthodes ont été proposées pour la me-’sure des éléments caractéristiques. Il est nécessaire derappeler tout d’abord quel, sont ceux-ci et comment

leur nombre s’est accru par suite d’un examen plusapprofondi des diverses catégories d’ious contenus

dans l’air de manière permanente.Il s y trouve tout d’abord des ions analogues à ceux

que produisent les rayons de Hüntgen ou de Becquerel,des « petits ions » des deux signes, de mobilité voisinede 1,5 centimètre par seconde, dans un champ de unvolt par centimètre. Nous désignerons ar p et n les

’l. Voir l1. GhITEL, Le Radiunt, 1905, p. 193 et 225.2. Conférence de Pàques à la Société Française de Physique.

Paris 1907.

quantités d’électricité portées respectivement par lespetits ions positifs et négatifs dans l’unité de volumed’air, les densités en volume des charges positives etnégatives disponibles sous forme de petits ions. Si eest la charge portée par chaque ion en valeur absolue,voisine de 5,4 X 10-10 unité CGS électrostatique, lesnombres des petits ions positil’s et négatifs présentsdans l’unité de volume sont respectivement P, et n.

e e

Nous désignerons par k1 et k2 les mobilités de ces

deux catégories d’ions.Au cours des expériences que nous poursuivons de

puis deux ans à la Tour Eiffel, nous avons été conduitsà reconnaître qu’il existe constamment dans l’air desions beaucoup moins mobiles que les précédents, demille à trois mille fois, « des gros ions » véritables

particules ou gouttelettes de l’ordre du centiènie demicron en diamètre et contenant au moins un million

de molécules analogues aux irons observés par Ql . Town-send dans les gaz récemment préparés et par M. E.

Bloch dans l’uir en contact avec du phosphore. Les ionsordinaires sont au contraire beaucoup plus petits, del’ordre des dimensions moléculaires ; ils contienn enau maximum dix à vingt molécules groupées par at-traction électrostatique autour d’un centre électrisé.Un point important est que les quantités d’électri-

cité posilive et négative portées par ces gros ions dansl’unité de volume d’air peuvent être beaucoup plusconsidérables, jusqu’à cinquante fois, que celles por-tées par les petits ions. Nous désignerons par P et Nles densités en volume de ces charges disponibles sousforme de gros ions des deux signes dont les nombres

par unité de volume seront aussi P e et N e, si l’on admet1. P. LANGEVIN, C. R., t. CYL, p. 252, 1905.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0190700406021801

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l’égalité très probable de leur charge individuelle àcelle des ions ordinaires.

Il est remarquable quc l’expérience a démontré l’ab-sence de centres intermédiaires entre les petits et lesgros ions. Il existe ainsi dans l’air des catégories net-tement tranchées de particules électrisées, et les rôlesqu’elles jouent sont nettement dinérents.

Tout d’abord, la conductibilité de l’air est due aux

petits ions pour la plus grosse part: en Effet cette con-ductibilité ou densité de courant produite par un champd’intensité égale à l’unité a pour valeur, si l’on désignepar Ki et K, les mobilités moyennes des gros ions posi-tif’s et négatifs

Nous désignerons ptr ,, et y- les deux parties :

de la conductibilité totale y, dues séparément auxcentres positifs et aux centres négatifs. Dans chacunede ces deux parties, le terme relatif aux petits ionsl’emporte en général de beaucoup-sur l’autre. En effet,si les densités en volume peuvent être cinquante fois

plus grandes pour les gros ions que pour les petits,leurs mobilités sont environ deux mille fois plusfaibles, de sorte que la conductibilité due aux grosions n’est guère que le quarantième de celle due auxpetits. Dans tous les phénomènes où cette conductibi-lité intervienl, comme la neutralisation de la chargedu sol par le courant clue son champ électrique pro-duit dlns l’atmosphùre, ou les phénomènes d’induc-

tion qu’invoque M. Schuster, ce sont les petits ions

qui jouent le rôle important.D’autre part les gros ions sont d’autant plus nom-

breux que l’atmosphère contient en suspension unplus grand nombre de particules et leur nombre doitcroitre proportionnellement au nombre de ces parti-cules. Il doit en enét s’établir un régime d’équilibreentre les diverses catégories de particules chargéeset non chargées, présentes simultanément dans

l’atmosphère, les gros ions se formant par diffusiondes ions ordinaires vers les particules neutres et se

détruisant pour restituer la particule neutre parrecombinaison avec les petits ions du signe opposé.La mesure de la charge présente en gros ions donnedonc plus facilement que la numération des poussièrespar la méthode de condensation d’Aitken, une mesuredu degré d’impureté de l’atmosphère, en relation avecles phénomènes optiques comme celui de la brume.

Enfin les gros ions et les particules neutres dont ilsimpliquent la présence jouent le rôle essentiel dans laformation des couches inférieures de nuages (stratuset cumulus entre 1000 et 2000 mètres d’altitude).(:es particules, en effet, condensent la vapeur d’eau àpeine sursaturante et quand une masse d’air humides*élève et se refroidit par détente adiabatique, c’est

sur elles tout d’abord que les gouttes se forment.

Quand ces gouttes sont assez grosse, pour que leur

chute composée avec la vitesse d’ascension de l’air leslaisse stationnaircs, la masse d’air continuant à s’éleverne peut plus former de gouttes que par condensationsur les ions ordinaires qui nécessitent une sursatura-tion considérable (une pression de valaeur de 6 à

8 fois plus grande que la pression maxima) de sortequ’on doit monter à une altitude beaucoup plus élevéepour obtenir cette deuxième couche de nuages forméesur les petits ions, vraisemblablement ,jusqu’à l’alti-tude des cirrus, souvent situés à 10 ou i2 1,ilomètres.

De l’équilibre indiqué plus haut entre les ions et

les particules en suspension dans l’air, il résulte quele nombre des gros ions doit varier en sens inverse de

celui des petits, puisque la recombinaison entre les

deux espèces doit pour la plus grosse part équilibrerla production d’ions par les divers rayonnements.L’expéiience nous a montré en effet des variations

opposées des deux catégories d’ions, ainsi que desvariations du champ électrique terrestre opposées a

celtes des petits ions et parallèles à celles des gros.Ceci résulte en particulier du fait que le champ serad’autant plus intense que la conductibilité de l’air

sera plus faible, c’est-à-dire que seront plus rares lespetits ions auxquels cette conductibilité est principale-ment due.

Un voit par ce qui précède l’importance que pré-sentent» pour des raisons diverses, les divers éléments

que nous avons définis, principalement les densités envolume p, n, P, N des ions petits et gros, positifs et négatifs, ainsi que les conductibilités y + et y_.

L-i première méthode proposée pour l’étude de cesphénomènes est la méthode de déperdition d’Glster etGeitell qui consiste à suivre au moyen d’un électro-

scope la chute du potentiel d’un cylindre chargé placédans l’air ambiant. De nombreuses mesures ont été

faites par ce procédé très simple à la vérité, maisdont le défaut principal réside dans la difficulté d’in-

terpréter les résultals obtenus et dans leur variabilitéavec les conditions de l’expérience, le vent, la protec-tion plus ou moins complète du corps de déperdi-tion, etc.

Une méthode plus rigoureuse est celle indiquée parEbert, et employée par nous dans nos expériencesd’enregistrement avec la modification nécessitée parl’cxisleiice simultanée des petits et des gros ions. Elle

consiste à faire passer dans le champ électrique d’uncondensateur cylindrique (voir p. !22i) un courant d’airassez lent pour que tous les ions d’un signe (il s’agis-sait uniquement des petits dans les expériencesd’Ebert) puissent être recueillis par l’armature inté-

1. ELSTER et G. ITEL. Physik Zeilsch, 1899, p. 11. - Ions,électrons, corpuscules (Société de Physique), p. 185. - Vuiraussi Le Radium, 1905 , p. 121,

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rieure, reliée a un électroscope. Si U est le volume

d’air utilisé, q la quantité d’électricité recueillie, posi-tive, par exemple, grâce à un sens convenable du champ,la densité p des charges portée par les ions positifsest donnée par q U.

C’est la méthode d’Ebert que nous avons utiliséetout d’abord dans nos expériences de la Tour Eiffel.Elle nous a conduits, ainsi que nous l’avons rappeléplus haut, a découvrir dans l’air la présence des grosions, et â constater eu même temps des variations très

brusques dans lcs résultats obtenus ir des instants

pourtant très rapprochés. Dans ces conditions, des

observations isolées ne sont pas suffisantes et seuleune méthode d’enregistrement permet de suive unphénomène aussi rapidement variable.

Nous venons donner aujourd’hui le résultat des

recherches que nous poursuivons dans ce sens depuisplus d’un an.

L’appareil dont nous allons donner la descriptionet les résultats de fonctionnement nous semble être

au point pour fournir une marche régulière pourl’enregistrement quotidien de courants d’une extraor-

- dinaire petitesse, puisque les plus intenses dopassentrarement 10-13 ampère.

Nous nous proposons, comme nous l’avons vu, dedéterminer le nombre d’ions contenus dans l’unité devolume d’air. Dans ce but, un courant d’air (puisé àl’extérieur) passe dans un condensateur cylindrique C(fig. 1) dont l’armature interne communique, par l’in-

Fig 1.

termédiaire de l’aiguille isolée du levier 1, avec l’unedes paires de quadrants de l’électromètre E. L’arma-ture extérieure de ce condensateur est reliée à l’un des

pôles, le pôle positif, par exemple, d’une batterie de

petits accumulateurs dont l’autre pôle est à la cagede l’électromètre et à l’autre paire de quadrants. Dansces conditions, l’armature intérieure, primitivementen communication avec la cage par le levier 2, reçoitdes charges positives qui, se répandant sur le système

isolé, font dévier l’électromètre d’une quantité pro-portionnelle à la charge totale reçue depuis le momentou l’isolenient s’est produit.

Le courant d’air est obtenu à l’aide d’un compteurà gaz fonctionnant comme aspirateur et commandé parun petit moteur électrique qui ferme un contact élec-trique chaque fois que le compteur a fait un nombre dé-terminé de tours, c’est-à-dire chaque fois qu’un volumed’air U a passé dans le condensateur. Au moment où cecontact se prodnit,l’électromètre aura donc dévié d’unequantité proportionnelle au nombre d’ions contenusdans le volume d’air U, volume bien connu et toujoursle même, grâce à l’emploi du compteur; et ceci,quelle que soit la vitesse du courant d’air, à condi-tion, toutefois, qu’elle reste comprise entre des limitesque nous déterminerons plus loin.

Le circuit, fermé par ce contact, commandc un

petit électro-aimant e, qui, au moment de la ruptureprovoque le déclanchement d’un mécanisme qui accom-plit les opérations suivantes :

1° Mise à la cage du système isolé par l’intermé-

diaire du levier 2 qui vient au contact de la

touche t ;2° Une came voisine inverse atzssitôt le champ dans

le condensateur, au moyen de l’inv erseur i ; 5° Le levier 1 quitte la touche t, isole, par con-

séquent l’électrode à laquelle il est relié et cette élec-trode commence à recevoir des charges de signe con-traire à celles qui viennent de s’enregistrer.

Ces trois opérations n’ont duré que 2 à 4 secondesau maximum, l’électromètre n’est pas encore revenuau zéro ;

40 L’électromètre, toujours à la cage par le levier 2,revient au zéro et ce zéro s’enregistre (50 à 45 sec.);

5° Le levier 2 quitte la touche t, isole l’électromètre,puis le levier 1 revient au contact de t et l’éleclrode

partage avec l’électromètre les charges qu’elle vient derecevoir. L’électromètre dévie brusquement d’une

petite quantité et sa déviation augmente lentement

jusqu’à ce qu’un nouveau volume d’air U ait passédans le condensateur. Uit contact se produit de nou-veau et la même série d’opérations se répète alterna-tivement pour les ions des deux signes.

L’enregistrement est obtenu par la méthode photo-graphique. Le miroir de l’électromètre forme l’imagedu filament vertical d’une lampe à incandescence (oud’une fente éclairée par une petite lampe à essence)sur une fente horizontale derrière laquelle tourne untambour sur lequel est enroulée une feuille de papierau gélatino-bromure. Sur cette feuille nous obtien-drons donc, de chaque côté d’une série de points re-présentant le zéro, une série de lignes inclinées corres-pondant aux charges positivcs d’un côté et aux chargesnégatives de l’autre. Leurs extrémités représenterontla variation de l’ionisation de l’atmosphère en fonctiondu temps et nous donneront, après étalonnage, le

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nombre d’ions contenus par unité de volume d’air

(voir plus loin).La méthode se prête aussi bien i l’enregistrement

des petits ions due des gros ions. L’énorme différencede mobilité de ces centres permet de les séparer faci-lement et nécessite pour chaque espèce d’ions un con-densateur C de capacité différente.

Il est facile d’établir la condition pour que tous les ionsde mol)ilité k soient recueillis par l’électrode.

Considérons, dans le condensateur, les ions situés à unedistance r de l’axe ; ces ions seront entraînés, d’une partpar le courant d’air avec une vitesse v, parallèle à l’axe et,

Fig. 2.

d’autre part, par le champ, avec une vitesse radiale If hr,k étant la mobilité de l’ion et hr 1; champ électrique à ladistance 1’. Si dx et d)» sont les composantes du cheminparcouru par ces ions pendant un temps infiniment petit,dans le sens de l’axe et dans le sens radial, nous aurons :

1,e champ électrique peut s’exprimer facilement en fonc-tion de la quantité d’électricité qui charge le condensa-

teur ; le flux de champ électrique est, en effet, par unité delongueur du condensateur :

1 élant la longueur de l’électrode et, si s est la longueurde la circonférence de rayon 1’, le champ électrique sera, àla distance r de l’axe :

Remplaçant hr par cette valeur dans l’équation (1), ilvient :

Or, S 1l dr représente le débit élémt ntaire d D du cou-rant gazeux à travers une couronne de rayon r et de lar-geur dr et nous avons finalement :

Si a est le rayon de l’électrode et b celui du cylindreextérieur, le deuxième membre intégré depuis a jusqu’àreprésentera la distance xt, à laquelle arrivera sur l’élec-trode l’ion situé, à l’origine, au voisinage du tube exté-

rieur ; tous les ions qui pénètrent dans le condensateurseront donc recueillie sur cette longueur d’électrode :

D étant le déhit total du courant d’air.

Tous les ions seront donc recueillis si l’on fait

ou, en remplaçant Q par sa valeur C V (C capacité ducondensateur et V son potentiel de charge) :

Par consëqnent, pour les petits ions, il faudra

prendre :

et, pour les gros :

Nous avons ainsi une relation nécessaire entre la capa-cité du condensateur, son potentiel de charge et le débit.Le choix des valeurs à donner à ces trois grandeurs est, deplus, soumis aux conditions suçantes :

Tout d’abord, le potentiel V ne doit pas être trop élevépour ne pas exiger l’emploi d’un trop grand nombre depetits accumulateurs et le champ électrique ne doit pasatteindre la valeur pour laquelle la décharge par convectionde poussières commence à apparaître.

D’un autre côté, quand on produit l’inversion du champ,le régime qui s’était établi est troublé, les ions qui se

déplaçaient vers le tube devant revenir vers l’électrode. Lerégime nouveau sera complètement rétabli quand l’air auraété renouvelé dans le condensateur et l’erreur maxima quipourra résulter de ce fait sera nagligeable si le rapport duvolume du condensateur au volume total d’air utilisé Uest assez petit. D’autre part, ce volume U doit être suffisantpour que la sensibilité de l’électromètre puisse avoir unevaleur acceptable et le débit D sera déterminé par la con-dition que le temps qui s’écoule entre deux retours au zérone soit pas trop grand. Enfin le volume des condensateursdoit ètre assez petit pour que la production permanented’ions à leur intérieur soit faible, par rapport au nombretotal d’ions recueillis.

Nous avions été ainsi conduits à adopter les valeurssuivantes :

Petits ions. -- Volume d’air total U == 500 litres,passant en 6 à 7 minutes (débit 1,4 à 1,2 litre parsec. ) .

condensateur L Tube extér. : diam. 5 cm.; long. 30 cm.Condensateur {Électrode : j- 1,8 cm.; o i long. 20 cm.

Capacité C = i 0Volume du condensateur

de l’ordre de 0,001Volume d’air total U

Potentiel de charge (V) minimum : 7,5 volts (pour500 lit. en 6 min.). En prenant 8 à 10 volts, on seraà l’abri d’une augmentation possible de la vitesse dumoteur.

Toutefois, il ne faudrait pas prendre un potentieltrop supérieur à la limite, car le nombre de gros ionsrecueillis cesserait d’être négligeable 1.

1. Les gros ions sont, au maximum, 50 fois plus nombreux que

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Gnos ions.. - Volume d’air total, U - 100 litres,passant en 6 ar 7 minutes (débit 0,28 à 0,24 litre parsec.).Condensateur {Tube ext.: diaim. 7 cm.; long. 130 cm.Electr.: dlaro. . 5 cm.; long. 120 cm.

Capacité C == 180.Volume du condensateur de l’ordre i 0,02Volume d’air total U

Potentiel de charge (V) minimum : 570 volts pour100 lit. en 6 minutes et 550 volts pour 100 litres en 6 mi-nutes.Il faudra au moins 4boi tes de petits accumulateursde 88 à 90 volts chacune, telles qu’on les construit

actuellement. Avec ce condensateur, le courant parconvection de poussières n’apparaît que bien au-dessusde 600 volts.

La période de 6 à 7 minutes convient très bien

pour avoir un bon enregistrement, comme on peut levoir par la courbe dont nous donnons la reproduc-tion. Il n’y a pas intérêt à la diminuer : pendantl’inversion du champ, l’électrode doit rester en

communication avec la cage de l’éleciromètreetlesionsrecueillis sont, par suite, perdus pour l’éleciromètre ;dans notre cas, l’erreur qui en résulte est de l’ordre de

4 360 à 4 420, c’est-a-dire de l’ordre de 1 pour 100.

Comme, d’ailleurs, l’état troublé que nous signalionstout à l’heure se produit au même moment, on voitque les erreurs systématiques de la méthode seront del’ordre de

1 pour 100 pour les petits ionset 2 pour 100 pour les gros ions,

précision supérieure à celle que l’on peut attendre detelles mesures.

D’autres causes peuvent intro luire des erreurs dans lesrésultats. Mèrne en l’absence d’un uonrvnt d’air, la produc-tion permanente d’ions dans le condensateur fait dévier

l’électromètre; la figure 5 (11) représente la courbe donnéepar l’appareil sans c(,uiatit d’air, pour les petits ions; pourles gros ions, elle est moins importants à cause de la

grande capacité du condensateur. 11 est nécessaire de

remarquer que toute cette « fuite )) n’intervient pas enréalité. La mesure a été faile en bouchant l’extrérnité ducondensateur et l’électrode a recueilli les ions produits dansle volume total du tuhe. Avec le courant d’air, tant que lesions ne sont pas arrivés dans le champ, l’ionisation de l’airreste normale, la production compensant la recombinaison

et, quand les ions sont drainées p.u’ le champ vers l’éler-trode et vers le tube, suivant leur signe, la recombinaisona lieu encore tant que dure la filtration des ions les unsdans les autres, tant qu’ils ne sont pas complètement sépa-rés ; si nous considérons les trajectoires des ions situés à

l’origine près du tube et près de l’électrode, nous voyons

les petits et 5000 fois moins mobiles. Le rapport du nombre degros ions recueillis au nombre de petits ions scra d’environ 1/60,ce qui conduira à une erreur d’environ ’2 pour 100 en plus,dont on pourra tenir compte si l’on enregistre simultanémentles gros ions et les petits.

qu’il faudra déduire du volume du condensateur dans

lequel la production d’ions n’est pas compensée la région 1couverte de hachures (rit. 5). D’autre part les ions produitsen dehors et à droite (région 2) de la ligne poi ni illécqui représente la trajectoire des ions qui arrivent a l’extré-mité de 1"électrode ne seront pas rccneillis et nous devonsencore exclure de la producl ion mesurée tout ce volume.

Fig. 3.

Une faible partie seulement de cette production permanenteaura de l’inftueuce sur les mesures, dans un sens d’ailleurs

opposé à la fuite par l’air du conducteur isolé, dans la cagede l’électromètre. Les erreurs qui s’introduiront du fait decette production permanente seront donc négligeables.

Étalonnage. - Il est intéressante de connaitre envaleur absolue soit la charge, soit le nombre d’ions

contenus dans l’unité de volume d’air, si l’on veut

pouvoir comparer les résultats obtenus dans différentesobservatoires. L’étalonnage se fait très facilement ense servant du condensateur qui sert à recueillir lesions et dont on a déterminé le coefficient d’intluence

C de l’armature extérieure sur l’électrode par compa-raison avec un condensateur étalon.

Le montage étant fait, et l’armature extérieure ducondensateur élant reliée â la cage, si, après avoir isolél’électromètre, on intercale, a l’aide d’un commutateur,une pile étalon de force électromotrice V (volts) entrecette armature et la cage, une quantité d’électricitéCV est libérée sur le conducteur isolé et il se produitune déviation o de l’électromètre’.

La quantité d’électricité qui correspond à une dévia-tion d’une division sera en unités électrostatiques :

La charge par mètre cube d’air qui correspond àune déviatian e sera :

U étant exprime en litres.La charge d’un ion étant de 3,4X10-10 unités

électrostatiques le nombre d’ions par centimètre cubesera :

1. Voir Le Radium, mai 1907. L’électromètre à quadrants(mesure des quantités), p. lb8.

223

Détails de construction.

La réalisation de cet appareil n’a pas été, au début,sans quelques difficultés, difficultés provenant princi-palement de la commande de l’aspirateur qui devaitêtre assez robuste pour fonctionner d’une manière

continue, et des leviers interrupteurs. Pour per-mettre de faire l’installation dans une pièce éclairée,ce qui nous a semblé néceszaire pour pouvoir en sui-vre commodément le fonctionnement, nous avions en-fermé l’électromètre et le cylindre enregistreur dansune caisse eu bois, comme on le fait pour les oscillo-

graphes. Le bois ayant joué a l’lmmidité, nous avonsdû modifier complète-ment la disposition pri-mitive : la caisse a été

construite complètementen métal et de manière à

ce qu’elle puisse s’ouvrirentièrement pour per-mettre une vérification

facile de l’électromètre etdes leviers ; de plus, nousavions trouvé nécessaire

d’y adjoindre un disposi-tit’ permettant de suivre

de l’extérieur les dépla-cements de l’image au

cours de l’enregistrement.Nous allons décrire

1 appareil tel que le con-struit actuellement la

« Compagnie des Comp-teurs » et tel que le re-

présentent les clichés deslig. 4, 5, 7 et 9.

L’électromètre et le

cylindre enregistreur sont disposés aux extrémités

d’une plate-forme en alu-miuium fondu, montée

sur vis calantes, le tout

étant rccouvert d’un « ca-

pot » en tôle qui portelatéralement la fente éclai-rée ou la lampe à incan-descence dont le miroir de l’électrométre forme

l’image sur la feinte placée devant le papier photogra-phique. Un miroir incliné à 450 et dont la partiesupérieure est à quelques millimètres au-dessous dela fente renvoie une partie de cette image sur uneéchelle divisée placée à la partie supérieure du capotau-dessus d’un verre rouge.

Électromètre. - L’électromètre est du même typeque celui qui a été décrit dans un récent numéro de ce

journal par l’un de nous’. Le pied a été supprimé etremplacé par une petite couronne (fig. 4 et 6); l’élec-troniètre repose par sa plate-forme supérieure sur unsupport rapporté et démontable sur lequel il est main-tenu par trois vis. Des trappes, glissant dans des rai-nures ménagées dans les pieds de ce support, complè-tent la cage de l’électromètre. La suspension est

longue de 17,5 centimètres environ. Avec une aiguillede 7 centimètres de diamètre, on peut atteindre facile-ment le maximum de sensibilité dans le cas des grosions pour un potentiel de l’ordre de 88 volts sur l’ai-guille et, dans le cas des petits ions, pour un potentielde l’ordre de 60 volts, ce potentiel variant d’ailleurs

Fig-. 4.

avec la capacité des protections. La sensibilité ainsiobtenue est suffisante et, dans beaucoup de cas, il

sera nécessaire de la diminner. On pourra le faireen diminuant le potentiel de charge de l’aiguilleou mieux en changeant l’aiguille si 1"on était

obligé de trop diminuer son potentiel qui cesserait

d’être grand devant la diff’érence de potentiel entre les(iuadrants’. Avec une aiguille plus petite, 1"électro-

1. Le Radium, avril 1907, p. ,149.2. Avec l’aiguille de 7 centimètres, l’électromètre donne en-

224

mètre ne sera plus à l’amortissement critique. 1,’amour-tissement s’obtient, dans ce cas, en disposant à la

partie inférieure de l’équipage une palette d’aluminiumou de mica tournant dans le tube inférieur a qui estcloisonné et charge au même potentiel que l’aiguillerOn pourrait aussi mettre un fil plus gros.

La grande résistance qui servait pour la charge del’aiguille a été reportée ici sur la partie supérieurede la cage; l’une des hornes (A) communique avec letube inférieur a.

L’une des paires de quadrants est reliée à la cage.La borne de l’autre est remplacée par une pièce métal-

Fig. 5.

liclue massive t sur laquelle viennent prendre contactles leviers.

Par suite de la coiiductibilité permanente de l’airdans la cage de l’électr omètre et de la présence del’aiguille chargée, la paire de quadrants isolée reçoitdes charges du méme signe que celle de l’aiguille et, ils’en suit, au bout de 6 minutes, un déplacement quin’est pas négligeable et qui, toujours de même sens,introduit dans les courbes une dissymétrie parasite.Nous avons annulé cet en’et en disposant dans la cageun conducteur porté à un potentiel de signe con-

traire à celui de l’aiguille. En le déplaçant dansla cage, on peut trouver pour ce conducteur une po-sition telle que la compensation ait lieu exactement.

(Ce compensateur ne figure pas sur la photographie).La figure 5 (1) donne une courbe obtenue en faisant

fonctionner l’appareil sans courant d air et sans champsur le condensateur.

L’électrométre est toujours muni d’un niveau N quiviron 50 centimètres par volt pour 88 volts sur l’aiguille.Pour 50 volts sur l’aiguille la sensihilité est d’environ 18 cen-timètres par volt. La déviation maxima étant de 6 centimètres,le potentiel correspondant sera 1/3 volt ; son rapport à celui del’aiguille sera donc 1/90.

1. Le tube amortisseur a, qui figurc sur le cliché, est d’unmodèle plus ancien que celui décrit dans le mémoire cité. Iln’est pas enveloppé d’un autre tube relié à la cage et il en ré-sulte que la l’uite dont nous parlons plus loin est plus grandeavec cet ancien modèle.

2. Surtout au laboratoire de l’École de Physique et deChimie où l’air est plus actif que partout ailleurs. Le déplace-ment était de 2 à 5 millimètres.

sert pour lc réglage de l’horizontalité de l’appareil. Onaméne l’image au zéro de l’échelle en faisant tournerla suspension a l’aide de deux fils que l’on attache auxbras de la clef’.

Leviers interrupteurs. - Le mécanisme qui faitfonctionner les leviers interrupteurs est placé en

dehors de la cage de l’électromètre. Ce mécanisme

commande trois cames, dont une seule, la came del’inverseur, est visible sur la photographie (tlg. 4). Lesdeux autres, placées derrière, commandent chacuneun petit levier monté sur ressort et relié par un fil

métallique au lcvier interrup-teur correspondant. Le remon-tage de ce mécanisme se fait

par une ouverture fermée parun petit volet.

Les leviers interrupteurssont fixés sur la couronne in-

férieure de l’électrométre

(fig. 6 j, de sorte que l’on peutenlever à la fois l’électromè-

tre et ces leviers (après avoirdétaché les fils), pour les visi-ter. Les pointes sont en pla-tine et viennent appuyer surdes grains d’or. Pour que ces

leviers ne libèrent aucune charge sur l’électromètreau moment de leur fonctionnement, il faut que le

départ se fasse sans frottement. Cette condition a été

réalisée les montant sur des ressorts larges et en s’ar-rangeant de manière à ce que les fils les tirent bien

Fig.6.

normalement. La figure 5 (1) montre que le fonc-

tionnement de ces leviers n’introduit aucune pertur-bation appréciable.

L’aiguille du levier 1 est fixée dans un petit man-drin américain isolé à l’ambroïde et muni d’un bou-

1. Voir pour le réglage le mémoire déjà cité.

225

ton de serrage pour recevoir le fil qui le relie à l’élec-trode par l’intermédiaire de la tige (fig. 4). Le levier2 est placé à côté du précédent; son aiguille, serrée àl’aide d’une vis, peut se régler et se démonter facile-ment. Un troisième levier identique (5), commandépar une manette 1 (fig. 10) placée à proxiiiiité de lamain, du côté du cylindre enregistreur, sert à mettre

le conducteur isolé à la masse ou a l’isoler à volonté.

Inverseur.- La troisième came commande l’inver-

seur 1 qui est visible surla photographie (fig. 4) et

qui est constitué par deuxlames isolées dont l’extré-

mité, munie d’un graind’or, vient s’appuyer sur

des aiguilles à pointe deplatine. Les aiguilles sontreliées à la batterie parl "intermédiaire des bor-

nes PP; l’une des lames

sera reliée au condensa-

teur par la borne T,l’autre lame est reliée à

la cage par l’intermédiaired’une petite bande très

étroite de papier d’étain,serrée entre deux pinces. Cette bande joue le rôle de fusible et évite la détério-ration des pointes en cas de court-circuit entre lecondensateur et l’appareil.

condensateurs.- Ces condensateurs sont formés

de tubes de laiton concentriques dont nous avons dé,jàdonné les dimensions. L’électrode est supportée par

Fig. 7.

une ou deux tiges fixées dans des bouchons d’ambroïde.Ces bouchons sont assujetlis dans un tube de garde,dont la figure 7 donne le détail, maintenu au mfme

potentiel que la cage de l’électromètre et que les écransde protection, potentiel initial de 1 électrode.

L’air doit être puisé à l’extérieur. La prise d’air sefait à l’aide d’un tube dépassant le mur d’environ 50à 40 centimètres a l’extérieur et muni d’une toile mé-

tallique pour arrêter les filai-iients végétaux qui, s’in-troduisant dans les condensateurs, établiraient unefuite entre le tube et l’électrode. I,e tout doit être in-cliné vers l’extérieur pour éviter l’introduction d’eauen cas de pluie.

Fig. 8,

Il faut éviter, à l’entrée, tout champ électrique quiferait disparaître une partie des charges que l’on veutmesurer. Il sera bon de réurlir ces tubes au sol parun fil. L’appareil enregistreur est alors chargé; onl’isole à l’aide de crapaudines d’ébonite.

Canalisation électrique. - Le fil qui relie1"étecirode du condensateur employés a l’électrométredoit être protégé par un écran métallique contre lesperturbations extérieures. Ce fil (fil de nlanganine)est tendu à l’intérieur d’un tube de laiton entre deuxbouchons d’ambroïde maintenus aux extrémités pardes élaulenients. Le fil est serré dans de petits man-drins qui portent un boulon de serrage servant de

borne. Les joints sont protégés aux extrémités par desraccords composés de deux bouts de tuhe auxquelssont soudées à 45 degrés des collerettes circulaires

(fig. 8). On relie les bornes par un fil, après avoir

enfilé les raccords que l’on rapproche ensuite et donton serre les collerettes l’une contre l’autre avec de

petites presses. On peut ainsi raccorder ces tubes entreeux ou avec les appareils, suivant des angles variantentre 90 et 180 degrés, et mettre les isolants complé-tement à l’abri des poussières.

Aspirateur. - Le courant d’air est obtenu au

moyen d’un compteur à gaz du type « Duplex o de20 becs, fonctionnant en surcharge, et relié aux con-

226

densateurs par un tube de caoutchouc. Un petit mo-teur électrique commande, par l’intermédiaire dedeux vis sans fin successives tournant dans un bain

d’huile, une chaîne qui attaque l’axe du compteur.Le pignon du moteur fait environ 5 n 6 tours parminute. L’axe du compteur porte deux pignons dontle rapport est 5 est qui correspondent aux débits né-cessaires pour les deux espèces d’ions. Le contact

électrique est donné par un mobile commandé direc-tement par la réduction de vitesse du moteur. Il se

produit tous lcs 55 tours du compteur pour les grosions et tous les 7 tours pour les petits. Le volume d’airdébité par tour étant de 14 litres 5, le volume U est

donc respectivement 500,5 et 100,1 litres, soit avecune approximation plus que suffisante 500 et

100 litres.

Si l’on disposait de deux électromèlrus enregis-treurs, l’un pour les petits ions, l’autre pour les gros,il y aurait avantage à n’employer qu’un seule moteur,commandant les deux compteurs, l’un de 20 becs,l’autre de 5, la même chaîne s’enroulant successive-ment sur leurs roues dentées.

Éclairage et cylindre enregistreur. - Sur lecôté gauche du capot, se trouve le dispositif d’éclai-rage, que l’on peut déplacer verticalement pour réglerla hauteur de l’image. Cette hauteur se règle facile-

ment en okrservant l’in1age réfléchie sur l’échelle ;l’extrémité de cette image doit arriver sur un trait

longitudinal si le réglage du miroir à 45 degrés estbien fait.

Le cylindre enregistreur est fixé dans un supportspécial qui se glisse à l’extrémité de la plate-f’orme(hg. 9). Il est recouvert d’un chapeau cylindrique D,

Fig. 9.

muni d’une fente, qui se fixe à l’aide de deux gou-pilles à ressort (r,r). Sur ce chapeau, tourne à frotte-ment doux un deuxième cylindre fendu, commandéde l’extérieur par une came et servant d’obturateur.

Le cylindre fait un tour en 26 heures; le papier sefixe au moyen d’une barrette que l’on amène, avantde placer le chapeau D, devant la vis f servant derepère.

Pour faciliter la lecture des courbes, nous avons

trouvé commode de marquer les heures sur le papierphotographique. Pour cela, nous avons placé à l’inté-rieur de l’appareil une lampe-à incandescence, com-mandée par une horloge, et qui, s’allumant toutes lesheures pendant quelques secondes, donne une série detraits noirs verticaux. La figure 11 est la reproductionen vraie grandeur d’une partie de l’une d’entre elles.La partie supérieure correspond aux ions positif s(aiguille chargée négativement.)

La vue d’ensemble (fig. 10) nous dispense de nousétendre sur le montage. Elle représente l’appareil telqu’il a fonctionné à l’École de Physique et de Chimicdans un des nouveaux laboratoires. Pour les essais,nous n’avons pas cru nécessaire de puiser l’air à l’exté-rieur ; l’air était pris dans la salle, la fenêtre étantouverte. Les deux condensateurs sont placés ici boutà bout, de sorte que, sans les démonter, on pouvaitpasser facilement des gros ions aux petits.

Le montage terminé, il est nécessaire de faire les véri-fications suivantes :

1° Les deux bornes P élan t réunies par un fil (conden-sateur non chargé), l’image ne doit pas se déplacer quandon a isolé 1"électromètre au moyen de la manette 1. Si

l’image ne conserve pas une position stable, il y a un dé-faut de protection du système isolé (mauvais contact ou

oubli d’une connexion; on retrouvera le défaut en tou-

chant avec la main les différentes parties de l’appareil : ilse produira, en général, une déviation lorsque l’on toucheraa partie intéressée p rr le mauvais contact). Si l’image sedéplace lentement, il y a un clé’aut d’isolement cu la com-pensation de la fuite de l’aiguille n’est pas exacte; dans le

premier cas, la déviation change de sens quand on changele signe de la charge de l’aiguille ; dans le deuxième cas, .

elle ne change pas de sens. Un défaut d’isolement, si cen’est pas un contact franc, produit une déviation, car il

agit comme conducteur électrolytique. On retrouvera ce

défaut par éliminations successives. Il y a avantage à em-ployer du fil nu pour relier ensemble les fils protégés; lecoton ou la soie teinte qui recouvrent les fils venant en

contact avec les raccords donneront lieu à des forcesélectro-motrices électrolytiques; avec le fil nu, on aura uncontact franc.En touchant l’électrode av ec le doigt ou en intercalant

entre les deux bornes P, c’est-à-dire entre la cage et letube du condensateur, une pile de 1 ou 2 volts, l’irnagedévie d’une certaine quantité et la déviation doit rester

fixe. Si la déviation ne se produit pas ou si l’image revientau zéro, il y a une fuite.

2° Après avoir rrmis la manette 1 à la masse, intercaléla batterie de charge entre les bornes P et isolé de nouveaul’électromètre, on déclanche le mécanisme. Il ne doitrésulter du fonctionnement des leviers qu’un déplacementtrès faible de l’image, correspondant a l’ionisation spontanéedu gaz immobile dans le condensateur et, dans ce cas, le

déplacement, symétrique pour les deux signes, aura douhléau bout d’un temps égal à celui pendant lequel le méca-nisme vient de défiler.

Dans le cas où l’on aurait un déplacement irnportant,cela pourrait tenir à plusieurs causes :Un déplacement en sens inverse du sens dans lequel

l’électromètre devrait se déplacer sous l’influence des

227

Fig. 10.

Ions1 proviendrait d’une baisse de tension de la batterie :ceri ne prend d’importance que pour les gros ions si labattei ie est mauvaise ou si l’on s’en sert immédiatement

après sa charge 2.Un déplacement rapide dans le bon sens, ne se produi-

sant qu’après le fonctionnement des leviers et ne se pro-duisant pas quand on isole l’électromètre au moyen de la

manette l, tiendrait à ce que le condensateur n’est pascomplètement chargé au moment où l’électrode s’isole, soitpar suite d’un mauvais contact sur les conducteurs ou auxleviers, soit par suite d’un mauvais réglage des cames.

Si un déplacement rapide se produisait, dans le bon

sens, quand on isole l’électromètre et chaque fois qu’onl’iso’e, ce dép’acement serait dù à une fibre végétale quirelierait le tube à l’électrode et qui aurait déjà introduitdes perturbations dans les premiers essais. Le seul remèdeest de démonter le condensateur et d’en passer toutes les

parties dans une flamrne.Nous rappellerons d’ailleurs qu’en électrostatique tous

les contacts doivent èli-e excellents et, pour une installa-I ion fixe cornme celle-ci, il y a intéi èt à souder toutes les

1. Sens que l’on reconnaît immédiatement si l’on approche ducondensateur une substance radio-active.

2. Nous employons des batteries de petits accumulateursconstruites par lI. J. Butaud. Les électrodes sont l’une au-

dessus de l’autre, dans des ttibes de verre placés dans un bacde verre contenant de l’huile de vaseline. Outre leur prix peuélevé, elles ont l’avantage de pouvoir se charger directementsur 110, ’120 volts sans résistance et de se dpsulfater rapidementpar une charge un peu prolongée. Leur résistance intérieure de10 à d2 olrms les met à l’abri d’un court-circuit accidentel.Leur capacité est de 1,5 amp. heure. On peut les laisser enservice pendant plus d’un mois sans avoir besoin de les rechar-ger. Les électrodes étant visihles la surveillance des batteriesest très facile.

connPxions failes entre des fils qui ne sont pas bien serréssous des bornes; l’oxydation qui se produisait au bout d’uncertain temps introduirait des forces électromotrices denature électrolytique et variables qui amèneraient destroubles sérieux dans le fonctionnement des appareils, lesvariations du potentiel se faisant sentir en valeur absolue1.

Le montage étant vérifié, il reste à régler la sensi-bilité de manière à ce que la courbe reste toujoursdans les limites du papier.

Il est bon de faire l’étalonnage aussi souvent quepossible, au besoin chaque jour, au moment où l’on

change la feuille. On simplifie cet étalonnage en

intercalant entre la batterie et l’appareil un comrnu-tateur à trois direclions bien isolé, monté comme l’in-

dique la figure f 2. Les opérations à effectuer sont

alors très simple-,.On arrête le courant d’air, puis on met l’électro-

mètre à la cage (au moyen de 1), on ferme l’obtura-teur, on remonte le mécanisme, et on enlève le

cylindre enregistreur sur lequel on met une nouvellefeuille. On le replace dans l’appareil et on ouvre

l’obturateur.

1. Toutes ces vérifications de montage et ces remarques s’ap-pliquent à toutes les mesures électrostatiques. C’est pour cetteraison que nous aBons insisté sur ce point, pensant êne utiles àbeaucoup. Nous avons indiqué les perturbations que nous

avons rencontrées au cours des essais, un certain nombre d’entreelles auront peu de chance de se produire en fonctionnementnormal.

228

On place la manette du commutateur en rrt, on

isole l’électromètrc après avoir ramené l’image au zéro

Fig. 12.

si elle s’était déplacée, et l’on fait passer rapidementcette manette sur le plot e, pour intercaler l’élémentétalon; on laisse la déviation s’enregistrer pendant

mètre. Il reste ensuite à faire passer le courant d’air

et à assurer le graissage du moteur. Une deuxièmevérification de ce graissage dans la jaurnée est suffi-sante. Au bout de peu de temps, ces opérations d’éta-lonnage se font machinalement.

L’installation telle que nous venons de la décrire estactuellement réalisable dans tous les observatoires

météorologiques où l’on dispose du courant nécessairepour la charge des batteries de petits accumulateurs.Le montage une fois réalisé, l’appareil n’exige aucunesurveillance; il est simplement nécessaire de renou-veler chaque jour la feuille de papier sensible enrouléesur le cylindre enregistreur et de faire en même tempsl’inscription indiquée plus haut pour la sensibilité de1"électromètre.

Le même appareil se prête à des mesures très

diverses dont les plus importantes sont les sui-

vantes :

10 Densités en volume des petits ions positifs etnégatifs par le procédé qui vient d’être décrit.

Fig. 11 -

15 à 20 secondes. On remet l’électromètre à la cageet, quand il est revenu au zéro, on l’isole de nouveauet on ramène brusquement le commutateur de e en rn ;la déviation ebt de sens inverse et on la laisse s’enre-

gistrer. On remet encore l’électroinètre a la cage pourfaire passer le commutateur sur le plot p, pour inter-caler la batterie, et on isole définitivement l’électro-

2° Charge totale de l’air atmosphérique par unitéde volume.

en aspirant le volume U d’air a travers un cylindre deFaraday contenant du coton qui absorbe tous les ionsprésents et en reliant ce cylindre à l’électromètre au

229

lieu de l’électrode utilisée dans les mesures précé-dentes1.

5° Mesure directe des conductibilités y+ et y-

par le procédé indiqué par M. Gerdien2: on fait

passer dans le condensateur cylindrique utilisé pourles petits ions un courant d’air dans des conditions dedébit et de charge du condensateur telles que la satu-ration ne soit obtenue pour aucune des catégoriesd’ions présentes. Il est facile de montrer que, dans ces

conditions, le courant recueilli par l’électrode est, pourun sens convenable du champ :

et pour le sens inverse du champ :

Si par conséquent les interruptions sont com-

mandées par une horloge de manière à se produire àintervalles de temps réguliers, au lieu de correspondreau passage d’un volume déterminé d’air, les dévia-tions de l’électromètre dans les deux sens sont respec-tivement proportionnelles à y, et y-.

10 Enfin l’appareil peut être utilisé pour l’étudecontinue des phénomènes de conductibilité gazeuseen fonction du temps, tels que la conductibilité d’unemasse de gaz enfermée dans un récipient clos, ou ladestruction spontanée des substances radioactives.Nous espérons que l’emploi d’un semblable appa-

reil, dans des stations placées en différents points duglobe permettra de réunir, avec le minimum d’eff orts,des résultats de grande importance tant au point devue de l’électricité et du magnétisme terrestre qu’àcelui des condensations atmosphériques.

Juin 1907.

Etude sur la luminescence

Par J. DE KOWALSKI,

Professeur de Physique expérimentale à l’Université de Fribourg.

DANS une série de travaux remarquables publiésdans cette revue, M. L. Matout3 fait une étudesur les différents modes d’excitation de la phos-

phorescence, ainsi que sur les lois générales qui larégissent. Ces travaux me permettront de ne plusrevenir sur certains détails et de renvoyer les lecteursaux intéressants articles de M. Ma tout. Rappelonscependant que l’on peut classer les phénomènes deluminescence de la manière suivante’ :

1° Photo-luminescence ou luminescence provo-quée par l’action de la lumière. (Nous avons quelqueraison de croire que l’on peut ranger dans la mêmeclasse la phosphorescence provoquée par les rayons X. )

2° Thermo-luminescence ou luminescence parélévation de température.

3° Tribo-luniinescence ou luminescence produitepar action mécanique, par exemple, dans le clivagedes cristaux. Les travaux de 1Bri. E. Becquerel5 prouvent qu’on peut introduire dans cette classe, la

luminescence produite par les rayons oc du radium.

1. Nous avons fait construire par la Compagnie des Compteursun modèle de cylindre de Faraday adapté à ce genre demesures.

2. H. GERDIEN. Physikalische Zeitschrift, 1905, p. 800 ;Radium, 1904, p. 395.

5. Cf. Radium, t. II, page 35-124-t. VII, page 20.4. M’,ed Ann., XXX-IV, page 446.5. C. R. de l’Acad., t. CXXXVII, page 629.

4° G’athodo-Luminescence, ou luminescence pro-duite sous l’action des rayons cathodiques ou des

rayons B du radium.Au lieu de ranger ces phénomènes d’après le mode

d’excitation, on peut les classer par rapport à leur

durée. Nous appelons fluorescence, le phénomène deluminescence qui ne dure qu’autant que la substanceémettant la lumière est soumise à l’action d’un agentquelconque. Nous appelons phosphorescence la lumi-nescence qui dure encore un certain temps après quel’excitation a cessé. La théorie que nous allons déve-

lopper dans la suite nous permettra de préciserdavantage la distinction à faire entrc la fluorescenceet la phosphorescence. Nous pouvons dire dès main-tenant que la différence entre la fluorescence et la

phosphorescence est plutôt d’ordre quantitatif qued’ordre qualitatif.

Nous tâcherons, dans l’étude suivante, en appli-quant les nouvelles vues que l’on a sur la constitution

électronique, de démontrer qu’on peut envisager tousces phénomènes de luminescence comme ayant unecause commune. Les idées de M. J.-J. Thomson

sur la production de la lumière nous permettent defonder sur cette nouvelle base électronique une expli-cation de ces phénomènes. C’est pourquoi, avant dedévelopper ces théories nouvelles, nous nous permet-

1. Nature, 1906, mars 22, page 495.