Dossier pédagogique

Les tudes à décharge
Faculté des Sciences – Département de Physique
Erwin Reiter
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
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augmente leur taux de recombinaison et diminue leur densité. Les électrons restants ont alors assez
d’énergie pour ioniser d’autres atomes.
g) proche de l’anode il y a de la lumière anodique,
h) suivi de l’espace sombre anodique.
Un cas particulier d’un application d’une forme dérivée de tube à décharge est un tube néon :
Tube fluoresçant
Ce type d’installation lumineuse est une lampe à décharge à basse pression.
Contrairement au sens courant les tubes ne contiennent pas de gaz de néon mais de la vapeur de
mercure.
Le rayonnement émis par un tel tube est principalement situé dans le domaine ultraviolet. Celui-ci est crée
par un phénomène de luminescence, donc de lumière froide. L’émission provient de l’ionisation du gaz par
le courant appliqué provoquant d’interactions électriques, principalement des transitions électroniques
entre les atomes du tube.
Puis la lumière est convertie en lumière visible grâce à une couche de substance fluorescente apposée sur
les parois du tube. Les molécules de ces poudres fluorescentes sont excitées par le rayonnement UV et il
s’en suit une émission lumineuse spontanée proche de la lumière blanche. Le starter est un petit tube rempli
de gaz, muni d'un contact (bilame).
Lors de la mise sous tension, il s'amorce.
L'arc électrique produit,
échauffe le bilame qui se déforme : le contact se ferme et l'arc électrique disparaît. Cette phase permet
le préchauffage des électrodes du tube.
Au bout d'une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact
s'ouvre, coupant ainsi le courant du circuit.
Le ballast magnétique crée alors une surtension qui amorce le tube.
La tension aux bornes du tube diminue
et rend impossible l'amorçage du starter jusqu'à la prochaine mise sous tension et permet de limiter
l’intensité de l’arc lorsque le tube est amorcé.
Le papillotement (ou scintillement ou flicker) est une variation rapide et répétitive de l'intensité d'éclairage
de la source lumineuse.
Les tubes alimentés en 50 Hz produisent un scintillement à une fréquence de
100 Hz.
L'oeil humain ne peut pas détecter ces fréquences, mais le papillotement est perçu par son effet
stroboscopique et peut être responsable de malaises ou de fatigue.
Il est impressionnant de voir s’allumer un tel tube dans le champ d’une bobine de tesla:
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La bobine de tesla
1893, Nikola Tesla montra qu'on pouvait transmettre du courant sans fil, grâce à
son transformateur à haute fréquence: celui-ci fut dès lors appelé Bobine de
Tesla . Cette bobine avait la capacité de créer des courants alternatifs sous de
très fortes tensions, mais avec une très faible intensité, ce qui la rendait
inoffensive pour l'être humain.
Tesla put d'ailleurs le démontrer plusieurs fois grâce à son "homme électrique",
qui pouvait "envoyer" des éclairs de plus de 40 mètres, allumer des ampoules
ou faire tourner des moteurs électriques à distance.
Les composants principaux de la bobine de Tesla sont : le transformateur, le
circuit LC primaire et le circuit LC secondaire. Contrairement au transformateur
conventionnel à induction magnétique, la bobine de Tesla utilise le
phénomène de résonance dans un circuit LC comme moyen d’amplifier le
voltage.
Nous sommes en présence de deux circuits LC présentant un couplage
magnétique faible (généralement 0, 05 ≤ k ≤ 0, 2) et dont les fréquences de
résonances sont identiques :
Le transformateur commence par charger le condensateur primaire. Lorsque la différence de potentiel à
ses bornes dépasse la tension de claquage de l’air, l’éclateur ferme le circuit primaire. On se retrouve ainsi
avec un circuit LC dont le condensateur est pleinement chargé. Le courant va donc se mettre à osciller
dans le circuit primaire, à une fréquence bien déterminée qu’est la fréquence de résonance du circuit. Ce
dernier va induire des oscillations dans le circuit secondaire, puisqu’il est couplé à lui, par le phénomène
d’induction magnétique. Le circuit primaire agit donc, au travers de la force électromotrice qu’elle
engendre, comme un générateur de tension alternative en série sur le circuit secondaire. Comme ces deux
circuits sont à résonance, et que le circuit LC secondaire est précisément entrainé à sa fréquence de
résonance, celui-ci va amplifier le signal de façon terrifiante ; c’est ainsi que les éclairs sont générés.
L’énergie est alors progressivement dissipée jusqu’à ce qu’un nouveau cycle puisse prendre place.
Les valeurs des auto-inductances et des capacités des deux circuits sont choisies de telle sorte que c’est la
tension qui s’amplifie et le courant qui diminue. On peut montrer que le gain en voltage, pris comme le
rapport du voltage initial Vin et du voltage final Vout peut s’exprimer en termes des auto-inductances des
deux circuits selon :
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sources :
http://wikipedia.fr/
http://sitelec.org/cours/abati/fluo.htm
http://inforsciences8.ulb.ac.be/videos/pds2012/
http://www.sts.psu.edu/
http://f1ets.com/bobinetesla/
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