Printemps des Sciences 2015 – Bruxelles -1-
Décharge luminescente dans une tube à basse pression
Une décharge luminescente est un plasma c.-a-d. un gaz formé d’ions et d’électron libres par le passage
d’un courant électrique. Nous nous intéressons à ce phénomène dans des tubes à décharge (parfois dits
de Crooks). Ces tubes en verre sont soumis à une pression d’air très basse. On branche une bobine de
Rumkorf aux électrodes métalliques du tube, ce qui crée un potentiel électrique très élevé aux alentours de
centaines de volts en courant continu. À partir de la valeur disruptive on observe le claquage c.-à-d. que
l’isolant, ici l’air du tube, devient conducteur et on observe la formation d’un arc violet entre les bornes.
Ce phénomène est schématisé par la loi de Paschen qui donne une relation généralement non linéaire de
cette tension en fonction du produit de la pression p du gaz par la distance d
entre les électrodes. Ceci est utilisé dans différents appareil d’éclairage comme
les tubes fluorescents, dont nous allons expliquer le fonctionnement et dans des écrans de téléviseur
plasma. Les cations formés sont attirés vers la cathode et les électrons se déplacent vers l’anode. L’énergie
cinétique ainsi acquérie est transférée à la cathode par la percussion directe de celle-ci par les cations, ou
indirectement par l’intermédiaire d’atomes d’air neutres. Cette énergie cause la libération d’atomes de la
cathode dans le plasma. Ces atomes sont excités en entrant en contact avec les ions du plasma, le retour
à un état énergétique plus bas cause l’émission de photons correspondants.
Les différentes régions du tubes représentés sur la figure sont :
a) une région sombre d’Aston très mince,
b) la lumière cathodique est une fine couche
rougeâtre qui entoure la cathode,
c) il suit une zone non lumineuse appelée espace
sombre cathodique ou encore espace sombre
de Crooks,
d) puis nous apercevons l’espace de lumière
négative, c’est la région la plus lumineuse du tube, elle est nettement séparée de c) mais diminue en
direction de l’espace suivant. La chute de tension qui accompagne le passage de l’espace sombre
cathodique vers cette lumière négative est appelée chute cathodique. Cela provient de l’ionisation, les
cations en direction de la cathode sont plus inerte de part leur masse supérieure, ils créent donc un surplus
de charge positive qui diminue la force du champ par rapport à l’anode, ainsi les électrons sont attirés
moins fortement et leur capacité d’ionisation diminue. Cet espace est chargé négativement.
e) l’espace suivant est dénommé zone sombre de Faraday,
f) la colonne positive est lumineuse et sa couleur et sa longueur dépend du gaz et de la pression, il peut y
avoir apparition de stries. Sa formation dépend de la paroi du tube en verre qui freine les électrons et qui
Faculté des Sciences – Département de Physique