Une bobine d’induction, dont le primaire fonctionne à six volts, fournit une haute tension pulsée aux extrémités d’un tube à décharge, à chaque extrémité duquel se trouve une plaque circulaire dont le diamètre est à peu près égal au diamètre intérieur du tube. La distance entre les électrodes est d’environ 71,5 cm, et le diamètre intérieur du tube est d’environ 4,5 cm. Vous pouvez faire le vide dans le tube en connectant une pompe à vide au bras latéral au centre du tube.
Avec le tube à la pression atmosphérique, lorsque vous allumez la bobine d’induction, sa tension de sortie n’est pas assez élevée pour obtenir un claquage. Lorsque vous mettez la pompe en marche et commencez à évacuer le tube, lorsque la pression atteint plusieurs dizaines de torr, vous voyez des rubans minces et intenses s’étendant dans l’espace entre les électrodes. Ces rubans s’unissent ensuite pour former un ruban unique plus large. Ensuite, tout l’espace entre les électrodes s’illumine. Finalement, des stries apparaissent dans la section centrale. Si vous pompez pendant plusieurs minutes, le tiers central du tube s’assombrit par rapport aux extrémités. Le gaz incandescent qui remplit le tube est un plasma, que vous pouvez dévier de diverses manières avec l’aimant représenté sur la photographie.
Cette démonstration montre un type de décharge électrique à travers un gaz, appelé décharge lumineuse. Les démonstrations 56.32 — Machines de Wimshurst, 56.45 — Étincelles avec le générateur Van de Graaff, 56.54 — Paratonnerre et 60.06 — Échelle de Jacob impliquent toutes un phénomène similaire, la rupture électrique de l’air, avec les arcs qui en résultent. (La démonstration 56.54 implique également une décharge corona, et 60.21 – Étincelle de condensateur et 72.54 – Étincelle d’inducteur produisent également des arcs impressionnants). Par opposition à un arc, une décharge lumineuse a une structure ; elle présente des zones claires et sombres à des endroits spécifiques, comme le décrit le texte ci-dessous.
La décharge lumineuse est la formation d’un plasma par la rupture électrique d’un gaz. Normalement, les gaz sont des isolants. En raison des rayons cosmiques ou d’autres rayonnements de fond naturels, un volume de gaz contient quelques électrons générés au hasard. Lorsque vous placez une haute tension entre deux électrodes dans le gaz, ces électrons sont accélérés dans le champ électrique entre les électrodes. Si le libre parcours moyen des électrons est suffisamment long pour que, sur cette distance, ils acquièrent suffisamment d’énergie pour ioniser une molécule de gaz, cela libère d’autres électrons, qui ionisent alors d’autres molécules de gaz. Les ions ainsi formés peuvent également éjecter des électrons lorsqu’ils entrent en collision avec l’électrode négative (la cathode). Les diverses collisions entre les électrons, les ions et les molécules de gaz neutre entraînent un claquage et un courant est maintenu entre la cathode et l’anode du tube à décharge. Le plasma ainsi formé est un mélange électriquement neutre d’électrons, d’ions positifs et de molécules de gaz neutre excitées électroniquement. C’est l’émission de molécules excitées se relaxant à des états d’énergie inférieurs que nous voyons comme la lueur.
Comme ce qui précède l’indique, il existe une relation entre la pression du gaz, la distance entre les électrodes et la tension minimale à laquelle le claquage se produit. La tension de claquage, Vs, (pour « tension d’étincelle ») est une fonction de p, la pression, et de d, la distance entre les électrodes. La forme exacte de cette fonction varie quelque peu en fonction du gaz, mais ses principales caractéristiques restent les mêmes. Elle présente un minimum qui va de l’ordre de 1 à quelques centaines de volts, pour une pd de l’ordre de 1 torr-cm. De part et d’autre de ce minimum, Vs augmente. Cette courbe reflète le comportement peut-être surprenant suivant : pour une pression donnée, et pour une tension appliquée supérieure au minimum, il existe une gamme de distances entre les électrodes sur laquelle le claquage se produit, mais si l’on éloigne ou rapproche trop les électrodes, la tension est insuffisante pour provoquer le claquage. Cela s’explique essentiellement par le fait que lorsque les électrodes sont trop proches, le libre parcours moyen des électrons est trop long par rapport à l’espace, et qu’il n’y a pas assez de collisions pour provoquer un claquage. En revanche, lorsque les électrodes sont trop éloignées l’une de l’autre, l’espace est beaucoup plus long que le libre parcours moyen des électrons et ceux-ci subissent tellement de collisions qu’ils n’arrivent jamais à l’anode. La loi établissant la relation entre Vs, p et d est appelée loi de Paschen, et la courbe est appelée courbe de Paschen, du nom de Friedrich Paschen, qui les a développées à partir d’observations qu’il a faites sur des décharges dans divers gaz.
La nature de la décharge, pour une composition gazeuse donnée, dépend de la pression, de la tension aux bornes des électrodes et du courant traversant le plasma. Dans cette démonstration, le courant n’est pas contrôlé, et vous faites varier la pression en pompant par le bras latéral du tube. (Un collier de serrage ou une vanne pourrait être ajouté pour permettre de maintenir la pression à une valeur particulière). Pour un tube de cette taille, à la pression atmosphérique, il faudrait probablement environ 1 400 à 2 000 kilovolts (soit entre 1,4 et 2 millions de volts environ) pour obtenir un claquage, et l’arc qui en résulterait serait similaire à ceux que l’on voit avec un générateur de Van de Graaff. Comme la bobine d’induction produit un potentiel de plusieurs kilovolts, ou peut-être plusieurs dizaines de kilovolts, nous ne pouvons pas observer ce type de claquage dans cette démonstration.
Lorsque vous commencez à pomper l’air hors du tube, à un certain point, probablement plusieurs dizaines de torr, vous voyez une large décharge en forme de ruban sur la longueur du tube. (Lorsque la pression atteint quelques torrs, la décharge forme diverses régions claires et sombres. En partant de la cathode, une décharge lumineuse typique présente une fine région incandescente près de la cathode, séparée de celle-ci par une fine couche sombre appelée l’espace sombre Aston. La fine région incandescente est appelée l’incandescence de la cathode. De l’autre côté de la lueur de la cathode se trouve un espace sombre plus large, appelé espace sombre de la cathode, ou espace sombre de Crookes ou de Hittorf. Vient ensuite une région lumineuse appelée l’incandescence négative, suivie d’un autre espace sombre appelé l’espace sombre de Faraday. Après l’espace sombre de Faraday se trouve une longue région lumineuse appelée colonne positive, qui remplit la majeure partie de la distance entre les électrodes. Parfois, l’extrémité anodique de la colonne positive est plus lumineuse que le reste ; c’est ce qu’on appelle la lueur anodique. Cette extrémité de la colonne positive est séparée de l’anode par une région sombre appelée l’espace sombre de l’anode. Habituellement, pour une pression et une tension appliquées données, les dimensions des différentes régions de la décharge lumineuse sont assez bien définies, la colonne positive variant en fonction de la distance entre les électrodes. Dans cette démonstration, plusieurs des caractéristiques énumérées ci-dessus peuvent ne pas être facilement visibles, et vous verrez des stries dans la colonne positive.
Si vous continuez à pomper, à un moment donné, la décharge s’affaiblit et, si vous obtenez une pression suffisamment basse, probablement inférieure à environ 1 millitorr, elle s’éteint. Dans cette démonstration, vous pouvez obtenir une pression suffisamment basse pour obscurcir à peu près le tiers central du tube. Si vous pouviez obtenir une pression suffisamment basse, il vous faudrait à nouveau plusieurs centaines de kilovolts pour provoquer un claquage, et dans ce cas, vous observeriez peu ou pas de lueur entre les électrodes, mais le verre émettrait une fluorescence verdâtre. Cette fluorescence est due aux collisions d’électrons à grande vitesse générées à la cathode, ou rayons cathodiques. Dans un tube à électrodes perforées (celles de cette démonstration sont pleines), dans ces conditions, vous pouvez voir des points derrière chaque électrode. Derrière l’anode, ils proviennent des rayons cathodiques. Derrière la cathode, ils proviennent des collisions avec le verre d’ions qui ont traversé le tube depuis l’anode, ou rayons anodiques.
Comme indiqué plus haut, le plasma qui constitue la décharge (ou du moins les parties où la lueur est la plus forte) est un mélange électriquement neutre d’électrons, d’ions et de molécules neutres excitées (ou, dans un gaz monatomique, d’atomes). Les électrons circulent de la cathode vers l’anode, et les ions se déplacent dans la direction opposée. Lorsque vous tenez l’aimant illustré sur la photographie près du côté du tube, cela donne donc lieu à un qv × B, et les électrons et les ions subissent une force latérale. Comme les deux types de particules se déplacent dans des directions opposées, mais sont également de signe opposé, elles sont déviées ensemble. Ainsi, lorsque vous approchez l’aimant du tube, le plasma se courbe autour de la zone où vous tenez le pôle de l’aimant, et vous pouvez déplacer la courbure en changeant l’orientation de l’aimant.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (Londres : Methuen & Co., Ltd., 1966) pp. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Conducteurs gazeux : Theory and Engineering Applications (New York : Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.