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" Tube de décharge à vide "
Dans les tubes de décharge à vide à remplissage de gaz ou de vapeur raréfié, on peut observer que, pour une inten- sité de courant croissant à partir de petites valeurs, la chu- te de tension à travers le tube diminue d'abord pour augmenter de nouveau ensuite pour de très grandes intensités de courant.
Cette augmentation est particulièrement marquéet existe aux intensités de courant encore admissibles, lorsque l'anode est enfermée dans une chambre qui ne se trouve en communice- tion aveo le reste de l'espace intérieur du récipient de dé- oharge que par une petite ouverture semblable à oelle d'un diaphragme. Plus la capacité de oette chambre est petite et plus l'ouverture de communication entre la chambre et le reste de la capacité du tube est choisie étroite, plus la montée de la caractéristique tension du oourant au-dessus d'une certai- ne oharge de courant est accentuée, et plus l'intensité du courant, à partir de laquelle la oaraotéristique remonte,est faible.
La fig. 1 représente le diagramne de tension de courant
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,6t"" C2e d'un tube de déchargeye- g-az, de cette espèce. L'étude plus approfondie montre que, si l'on continue à suivre la oarao- tristique tension du courant jusqu'à lendroit où elle commence à monter, on obtient une branche qui monte verti- oalement. Cela signifie que le oourant J atteint la satura- tion. L'intensité de oourant de saturation dépend de la pression du gaz à l'intérieur du tube.
La figure 2 représente un tube de l'espèce susmention- née. A est l'anode, B le diaphragme, qui entoure l'anode et qui est constitué, de préférenoe, de matière conductrice.
La cathode K peut être une cathode en mercure ou une oathode à incandescence. Dans le cas de la cathode en mercure, une anode d'excitation E doit être prévue pour maintenir l'arc lumineux d'excitation vers la oathode K. Toutefois, lorsque du oourant est enlevé à suffisance de la cathode, l'anode d'excitation devient superflue.
L'intensité de oourant de saturation pour le courant passant de la oathode à l'anode s'établit de la manière suivante.
Dans l'ouverture du diaphragme, il se forme une cathode dite de striction, que tous les électrons partant de la oatho- de doivent traverser. A son emplacement, il existe un rapport fixe entre le oourant d'éleotrons ou oourant électronique qui va de la oathode vers l'anode, et le courant positif d'ions ou courant ionique positif qui va, en direction) opposée, de l'anode vers la cathode, et, en fait, le rapport du courant électronique\ au oourant ionique doit être Je/Jp #mp/me, mp étant la masse des ions positifs, et me la masse des électrons. Pour la vapeur de mercure, il en résulte une valeur de 605, o'est-à-dire que le oourant électronique qui va de la oathode vers l'anode est 605 fois plus grand que le courant ionique de direction opposée.
Comme la chambre formée par B enferme l'anode d'une façon étanohe par rapport
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au reste du récipient à vide, les ions positifs sortant de la chambre dans l'espace de décharge C à travers le courant d'ions positif Jp par l'ouverture du diaphragme doivent être fournis ensuite d'une manière queloonque. Cela est réalisé par oela que des atomes de mercure neutres venant du tube de décharge diffusent à l'intérieur de la chambre à travers l'ouverture du diaphragme.
Cette diffusion a sa cause dans le mouvement des atomes de mercure, dû à la température. comme on le sait, le nombte des particules de gaz neutres qui diffu- sent, à basse pression de gaz, à travers une ouverture de diaphragme, dépend seulement du nombre des particules par unité de volume et de la température,o'est-à-dire de l'in- tensité du mouvement de ces particules. Aussi longtemps que la densité du gaz, en particulier la densité de la vapeur de mercure et la température du gaz devantl'ouverture du diaphragme restent inohangés,l'afflux de partioules à tra- vers l'ouverture du diaphragme à l'intérieur de la chambre entourant l'anode est par conséquent oonstant et par oe fait l'intensité du courant de décharge est fixée.
Par conséquent, quand on atteint l'intensité de oourant de saturation ,0 'est- à-dire aussitôt que l'appauvrissement en ions à l'inté-
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rieur de la ohambre-entourant 1 * -gbà comnenoe et cze,- par suite,le point B de la caractéristique suivant la fig. 1 est atteint,on ne dispose que des partioules de gaz entrantes pour la oouverture du courant ionique positif. Etant donné
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que oette 3n,t de oourant ionique positif se trouve en rapport fixe aveo le oourant d'éleotons oonfo rmémen t à la formule indiquée, il en résulte le caractère de saturation qui est réellement observé.
Le Gourant électronique qui passe à travers la cathode de striction déterminée par l'ouverture du diaphragme, traverse comme un rayon régulier l'espace vers l'anode. La cathode de striction agit donc dans l'espace B comme une oathode d'espèce
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nouvelle (oathode plasmatique ; en allemand " Plasmakathodë) car elle est alimentée par les électrons à mouvement irrégu- lier de ce qu'on appelle le plasma, dans l'espace C. Grâce aux densités de courant extrêmement élevées, qui sent possi- bles dans une décharge dans du gaz, on peut aussi atteindre aveo oetteoathode plasmatique, des densités de courant qui dépassent de loin les densités de courant des cathodes à incandescence usuelles.
Il est donc possible avec cette oa- thode plasmatique, de produire dans la chambre P un rayon ca- thodique de densité beaucoup plus élevée que celle que l'on pouvait atteindre éventuellement avec une cathode à incandes- oenoe.
Les applications possibles de oette cathode nouvelle sont très variées. Par exemple, on peut l'employer comme os- oillographe à rayon oathodique, en remplaçant l'anode A par un écran lumineux ou par une fenêtre (feuille de métal) derriè- re laquelle on disposeun écran lumineux . La fige 3 en mon- tre un exemple. 0 est la fenêtre, D les éleotrodes de dériva- tion, L l'éoran lumineux. En outre, avec ce dispositif, on peu, produire des rayons R8ntgen d'une extrémité extrême. De même, les rayons canalisés qui sont tonnés par les ions partant de l'anode à travers le diaphragme.peuvent être utilisés de la manière usuelle.
Pour oontrôler le rayon éleotrmique, on peut aussi dis- poser dans la chambre 13, des éleotrodes D pour la produotion d'un ohamp transversal, comme cela se trouve indiqué à la fig. 4.
Pour obtenir une modulation à l'aide du courant éleotro- nique dirigé, on divise avantageusement l'anode en deux parties
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8 Al et A2 (fig. 4), qui, suivant la tension appliquée aux éleo- trodes auxiliaires D , e alors la totalité ou une par- fA tie du courant électronique ou n1en.sw-.
La fig. 4 montre, en même temps, comment un tel récipient de décharge peut être employé Gomme amplifioateur ou équili-
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bré ou en "push-pull ( en allemand " Gegentaktverstärker") de la manière usuelle dans les tubes électroniques. Si des tensions directrices sont amenées aux électrodes auxiliaires D par les conducteurs d'entrée E, elles peuvent être reprises, amplifié , à la sortie A.
Si l'on oonneote les conducteurs d'entrée et de sortie en reliant oonvenablement les pôles entre eux , le récipient de décharge agit comme génératrice équilibrée ou en push- pull " ( en allemand " Gegentaktgenerator "), dont la fréquen- oe d'oscillation peut être modifiée dans de larges limites de la manière usuelle en technique radiophonique, en donnant à l'entrée ou à la sortie la forme d'un oirouit de résonanoe.
Une autre applioation du récipient de décharge décrit, consiste en oe qu'il est utilisé pour la limitation du cou- rant. Aussi longtemps que la pression du gaz conserve une
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4u ale4 aie tk - ,L valeur déterminée, l'intensité du courant ne peut monte ,oo -- oela est exprimé dans la ligne caractéristique de la fig. 1.
Le tube peut donc être employé comme résistance intercalée dans le oirouit en avant d'appareils qui, par exemple, doivent toujours être actionnés par une intensité de courant bien dé- temrinée indépendamment de la tension d'alimentation. Pour cet usage , on a connu des tubes à oathode à incandescence.Toute- fois, en contraste aveo oeux-oi, la présente invention permet de maintenir oonstantes,de oette manière, des intensités de courant considérables, avec des moyens simples et une dépense de rendement minime.
Comme oathode K pour la décharge, pour former la cathode plasmatique proprement dite dans l'ouvertu- re F du diaphragme B, on peut employer une cathode à incandes- oenoe de la manière usuelle, ou bien une cathode de mercure, le cas échéant aveo l'anode d'excitation E. Si l'on emploie une cathode de mercure, il est désirable de maintenir constan- te la pression de la vapeur de mercure à proximité de l'ouver- ture du diaphragme, ce qui peut se faire,par exemple, en
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logeant le tube dans un thermostat.
Une autre possibilité oonsiste à remplir le tube d'un gaz rare de pression tellement élevée que la pression de la vapeur de mercure .ne joue plus auoun rôle en comparaison avec elle. Plus la pression du gaz est choisie haute, plus l'ouver- ture du diaphragme, pour l'intensité de courant de saturation donnée d'avance, doit être choisie petite.
Une autre applioation du dispositif s'offre dans les cas, où des lampes de décharge dans du gaz doivent fonotionner en oonnexion aveo un réseau sans résistance ou réactances intercalée en avant. Par la suppression des résistances inter- oalées en avant ed des réactances, on fait l'économie du travail perdu ou improductif qui est néoessaire autrement et ainsi on obtient une amélioration du rendement. Ces tubes sont appli- oables tràs avantageusement dans la teohnique de l'éolairage, étant donné qu'ils permettent de former des tubes lumineux très simples et faciles à manier qui peuvent être connectés directement au réseau.
Si, de oette manière, une impédance intercalée en avant, quelconque, couplée, en série avec le récipient de décharge éleotrique, doit être évitée et si ce dernier doit être oonneo- té direotement au réseau, il ne suffit pas non plus que la ohute de tension entre le diaphragme et l'anode oroisse lorsque l'intensité du courant croît. Il est au oontraire nécessaire que oette ohute de tension croisse tellement fort par rapport aux chutes de tension partielles de
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la décharge dans le gaz)diminuant lorsque l'intensité du courant croît, que la chute de tension totale entre l'anode et la oathode augmente lorsque l'intensité du courant oroit.
La. présente invention est donc d'une importance partiou- lière pour les récipients de décharge électriques qui sont,en- ployés comme consommateurs, en particulier oomme consommateurs d'énergie éleotrique indépendants. Comme consommateurs d'énwer-
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gie éleotrique indépendants, il fautùenvisager principale- ment les zones de décharge dans du gaz, qui sont utilisées pour la transformation d'énergie électrique en d'autres formes d'énergie telles que la chaleur, la lumière ou n'importe quelles autres espèces de rayonnements.
Pour que le diaphragme ou dispositif analogue qui rétré- oit la seotion transversale de la décharge produise une ohute de tension croissant aveo l'intensité du oourant,il est avantageux que son éloignement par rapport à la surface active de l'anode reste dans oertaines limites. Si cet éloignement est, notamment, trop grand, il se forme en tous cas, dans l'ouverture du diaphragme , une cathode de strio- tion, qui donne lieu,,, à un lent rayonnement cathodique à partir de l'ouverture du diaphragme à l'intérieur de l'espa- oe adjacent à la surface active de l'anode.
Toutefois, tant que l'énergie oinétique de ce rayonnement éleotronique peut être utilisée entièrement à la formation de nouvelles paires d'ions lors des oollisions aveo les particules de gaz se trouvant entre le diaphragme et l'anode, il n'y a pas d'oooa- sion pour que, lorsque l'intensité du courant croît, la ohu- te de tension dans la partie de l'espace entre le diaphrag- me et l'anode augmente grâce au diaphragme.
C'est seulement lorsque le lent rayonnement cathodique partant du diaphragme
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-10-f touche la surface de l'anode, avant qu'il. à même de ren- dre son énergie oinétique entièrement utilisable pour la formation de nouvelles paires d'ions, o'est-à-dire seule- ment lorsque le nombre diminué des oollisions du rayonnement cathodique doux, partant du diaphragme, avec des particules de gaz commence à limiter l'utilisation de l'énergie oinéti- que de ce rayonnement, que la ohute de tension entre le dia- phragme et l'anode commence à monter pour une intensité crois- sante du courant.
Il est donc avantageux que le chemin du rayonnement éleotronique à partir du diaphragme ou analogue
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jusqu'à la surface active de l'anode ne soit pas trop grand et, comme les essais le montrent, ne s'élève au maximum qu'à quelques longueurs moyennes libres de chemin d'éleotrons dans le gaz ou la vapeur .
On peut encore oontrarier autrement la rétrodiffusion de particules neutres de gaz ou de vapeur,en faisant en sor- te que la décharge à partir du diaphragme ou analogue jusqu'à la surface de l'anode,se fasse dans un oanal dont le diamè- tre soit oomparaole à celui du diaphragme et qui se tendue à proximité de la surface de l'anode. Les particules rétro- diffusées sont forcées, par oette disposition, de se mouvoir sur plusieurs longueurs de ohemins, à l'intérieur d'un oanal dont le diamètre est également comparable à la longueur du chemin. On sait, par les lois de la théorie cinétique des gaz, qu'un oanal de oette espèce contrarie d'autant plus le mouvement libre des partioules qu'il est plus long.
L'ou- verture du diaphragme prolongéear le oanal s'étendant jus- qu'à la surface de l'anode agit toutefois aussi très favo- rablement dans le sens de l'invention, paroe que le faible rayonnement électronique qui s'étend à partir de l'ouverture du diaphragme dans la direction de l'anode trouve devant lui un espace relativement étroit pour les oollisions aveo des partioules neutres de gaz pour la formation de nouvelles paires d'ions.
Au'lieu d'un diaphragme F, on peut disposer,dans le fond du oorps B du diaphragme, une pluralité d'ouvertures de dia- phargme, par exemple à la façon d'un éohiquier ou de rayons de ruche.
On peut aussi imaginer que, comme ceci est représenté à la fig. 5, le fond du porte-diaphragme B consiste en un
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U eJI:.6 oorps poreux G percé de canaux. Derrière une seule et même anode A, il existe alors simultanément, dans ce oas, plusieurs décharges connectées en parallèle, ce qui est absolument possible, puisque chacune de ces décharges partielles a,
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suivant l'invention, une caractéristique tension de oourant positive et peut dono très bien ooexister en oonnexion en parallèle aveo une décharge de la même espèce.
Etant donné qu'au diaphragme même, par suite de la gran- de densité de oourant, un échauffement considérable est possible, il peut être néoessaire de constituer le diaphrag-
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me ou analogue .Iz;a/t.d4 la seotion trapsversale, en une matière a point de fusion élevé.
En général, il sera difficile d'amorcer la décharge de l'anode A vers la cathode K sans anode spéciale d'excita- tion, vu que, à travers l'ouverture R du diaphragme,il se produit une augmentation oonsidérable du potentiel des étinoelles. Il est à conseiller pour oela de constituer le diaphragme B ou analogue resserrant la seotion transversale de la décharge, par un conducteur qui, ensuite , comme ceci est représenté à la fig. 5, peut être relié au potentiel d'anode par un conducteur spéoial H en passant par une
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044e résistance J. Aussitôt que l'anode se met à va.leurs de ten- sion positives, une décharge s'établit d'abord entre le corps B du diaphragme et la oathode.
Par oette décharge, des éleotrons sont amenés en quantité suffisante à proximi- té de l'ouverture F du diaphragme, de sorte que la tension de l'anode suffit alors à établir la décharge prinoipale vers l'anode, et oette décharge, une fois qu'elle existe, oontinue d'exister, même si l'amenée de ooumnt au diaphar- me B était Interrompue. La résistance J peut donc être relativement élevée, de façon qu'une fois que l'anode A a assuré la oonduite du courant, seul un courant relative-
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ment petit ou un courant 5ec.trk.d.a.lAe-- passe par le porte- diaphragme B, le conducteur de oourant H et la résistance J.
La résistance J pourrait naturellement aussi être logée entiérement à l'intérieur du récipient de décharge, de façon qu'une sortie de courant spéciale H soit superflue.
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La fig. 6 représente une forme de réalisation particulière de cette idée. Dans cette forme, le corps B du diaphragme, qui est pourvu de plusieurs ouvertures de diaphragme F, re- pose directement sur l'anode A grâce à une pièce intermédiai- re L en matière mauvaise conductrice, et les ouvertures de diaphragme F sont prolongés, dans le sens des considérations
M émises ci-dessus, par des canaux jusqu'à proximité de la surface active de l'anode pour contrarier la rétrodiffusion de particules neutres de gaz ou de vapeur. Cette pièce inter- médiaire L sert en même temps à soutenir le oorps B du diaphragme, lequel est constitué de métal.
On peut aussi imaginer que le oorps B du diaphragme soit constitué d'une matière mauvaise conductrice et repose lui- même sur l'anode ou sur son conducteur d'amenée du courant.
Si le récipient électrique de déoharge/au lieu d'être aotionné par du courant continu, l'est par du courant continu, il doit exister dans le sens de la présente invention, au moins à proximité de la valeur maximum du courant dans la partie de l'espace adjacente à la surface active de l'anode, une ohute de tension augmentant lorsque l'intensité croît.
L'allure du courant dans le cas du courant alternatif sera alors telle qu'après qu'on a dépassé la ohute de tension né- cessaire pour l'établissement de plus grandes intensités de courant, l'intensité du courant s'accraît immédiatement à un montant qui correspond à la branche positive de la caractéris- tique tension de oourant, et que, si oette branche monte d'une manière relativement brusque, il ne se produise plus qu'une augmentation insensible de l'intensité de courant de régime, de façon que le diagramme linéaire de l'intensité du courant ait presque la forme d'un rectangle.
Il faut voir principalement l'essence de la présente invention dans ce que, aveo des pièces relativement simples logées à proximité de l'anode, on parvient à influencer la
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ohute de tension du tube de façon telle que, dans la totali- té ou au moins dans une région de l'intensité du courant, elle croisse aveo oette dernière, de façon que les impédances intercalées en avant, qui constituent une complication et un renchérissement de l'installation, et qui ont pour oonsé- quenoe des pertes supplémentaires ou un mauvais faoteur de rendement, puissent être évitées.
Dans le cas où le réci- pient électrique de décharge sert à la production de lumiè- re, on peut imaginer que le diaphragme logé à proximité de la surface de l'anode soit utilisé en même temps pour produi- re l'éolat de la décharge ou une source lumineuse presque punotiforme de haute intensité.
Les oonsidérations suivantes peuvent servir pour obtenir des bases palpables pour le choix des dimensions du tube ou de l'ouverture du diaphragme*.
Corme on l'a déjà mentionné dans l'introduction/le cou- rant éleotronique se dirigeant vers l'anode et le oourant ionique positif quittant l'espace entourant l'anode sont en- tre eux comme les raoines des masses des ions positifs et des éleotrons, o'est-à-dire dono que
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Le nombre de partioules positives qui quittent oette surface en section transversale F par unité de temps est donn :
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me et mp Sont#@SeS de l'éleotron ±4lÔàe l'ion positif. e = 1,59 . 10-19 ooulonb est la charge élémentaire.
Pour le mercure, on a
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Pour une décharge dans la vapeur de mercure on a dono:
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A l'intérieur de la chambre B,il se orée, par suite de l'échappement oonstant d'ions positifs, un vide , beaucoup plus élevé qu'en dehors dans l'espace C.
Si l'on suppose que la pression de gaz est très basse, correspondante par exemple, à une 'colonne de mercure de 0,03 mn, et que la longueur de chemin libre des partioules de gaz est oompara- ble au diamètre de l'ouverture F, oette différence de pressionpeut se oalouler d'une manière simple; elle doit, notamment, être d'une grandeur telle que la différenoeentre le nombre de particules qui entre de l'extérieur dans la chambre et le nombre de particules qui, par suitedu mouvementé dû à la température, quittent la chambre à partir de l'intérieur, soit égale au nombre des ions positifs conduits à l'extérieur par l'intensité du courant.
Suivant la théorie cinétique des gaz, une surface F en section trans- versale est traversée dans l'unité de temps par un nombre de particules:
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p est la pression du gaz en mm de mercure, T la température absolue,.,, le poids moléoulaire du gaz.
Pour l'excédant de partioules qui s'écoule en plus à l'intérieur qu'à l'extérieur de la chambre entourant l'ano- de, on a par conséquent:
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Dans oette formule p2 et T2 sont la pression et la tempéra- ture à l'extérieur et p1 et T1 les grandeurs correspondantes à l'intérieur de la chambre. Pour la vapeur de mercure est supposé égal à 200.
Si l'on suppose que T1 = T2 = 625 abs, il en résulte si l'on pose
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Ne = Ng2 - Ng1 = 1020.F ( P2 - pl) = J. 1016 , ..L = 104 ( P2-P1 ) F o'est-à-dire que, si l'on compte dans l'ouverture en section transversale sur une densité de courant d'environ 100 ampères par cm2, il en résulte une différence de pression de 1 mm
100 de mercure entre l'intérieur et l'extérieur de la chambre en- touBant l'anode. Cet abaissement de la pression est déjà tel- lement oonsidérable que les électrons qui pénètrent à l'inté- rieur de la chambre entourant l'anode,par l'ouverture de seo- tion transversale F, n'étant plus en nombre suffisant, ne sont plus capables de former des ions positifs.
Par conséquent, il se produit l'appauvrissement en ions positifs susmentionné.Il se produit une charge spatiale négative et une ohute de tensim augmentée .
Des conformités aux lois physiques simples qui précèdent, se déduit l'ordre de grandeur de l'ouverture en section trans- versale pour chaque intensité de courant et chaque diff érenoe de pressions voulue. La détermination préoise est affaire d'ex- périenoe. Dans un tube réalisé en pratique, l'intensité de courant de saturation s'éleva à environ 1 ampère pour une tem- pérature de la cathode de mercure d'environ 17 C et une pression de la vapeur de mercure d'environ 10-3 mm de mercure ainsi qu'un diamètre du diaphragme de 5 mm.
Si un récipient de décharge dans du gaz, de l'espèoe suivant l'invention /est aotionné par des intensités de courant voisines du coude B (fig. 1), dans lequel la caractéristique
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passe en se courbant de l'allure presque horizontale à l'allure presque verticale, et si une résistance à déterminer par ex- périenoe, ou une réaotanoe mesurée convenablement , D, R (fig.
7), est intercalée dans le circuit, le tube entre en osoilla- tions lentes. Le phénomène peut être ramené plausiblement aux causes suivantes :
Il s'établit d'abord une intensité de oourant déterminée.
Sous l'influence de cette intensité de courant, il se produit une évaouation graduelle de la chambre B. Aussitôt que oette évacuation a atteint un'-.degré déterminé; cette décharge se désamorce, étant donné qu'à l'intérieur de la ohanbre B, par suite de l'appauvrissement en ions qui se produit, un aoorois- sement du courant et de la tension a lieu. Lors du rétablis- sement de l'intensité de courant, la chambre B se remplit par fourniture de gaz,à partir de l'espaoe C,à l'intérieur de la chambre B et l'intensité du courant peut de nouveau monter. Ce jeu se répète périodiquement .
La fréquence des oscillations pendulaires va de l'ordre de grandeur de nombreu- ses secondes jusqu'à des fractions de seconde et peut être réglée à l'intérieur de ces limites, et cela par la grandeur de la chambre, par l'ouverture de la chambre, par la pression de gaz ou par la valeur de l'intensité de courant dépendant de la pression de gaz. De oette manière, il est possible de faire fonotionner des lampes quelconques, qui travaillent sans éléments de couplage extérieurs quelconques, oomne,par exem- ple, des condensateurs, un dispositif pour un oourant de décharge auxiliaire eto., à une fréquenoe d'interruption don- née d'avance. Des lampes de oette espèoe peuvent être utili- sées avantageusement pour la réclame, dans les installations de signalisation eto.
.REVENDICATIONS.
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