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Le radiomètre de Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) est un chimiste et physicien britannique et l’un des plus grands savants de l’ère moderne. On lui doit notamment deux découvertes majeures : celle du Thallium, un élément chimique métallique, ainsi que celle des rayons cathodiques qui seront utilisés par la suite dans les tubes des téléviseurs.

Mais il mena également des recherches dans des domaines nombreux et variés comme la médecine et l’hygiène (traitement des eaux d’égouts, rapport sur la prévention et la guérison de la peste bovine…), l’astronomie (étude du spectre solaire, photographie céleste…) en passant par la fabrication du sucre de betterave, la teinture des textiles, la séparation de l’or et de l’argent de leurs minerais par un procédé d’amalgamation.

Cependant, ses travaux scientifiques les plus importantes portent sur la conductivité électrique des gaz. Pour cela Crookes a mis au point de nombreux instruments : le tube de Crookes utilisé dans la technique des rayons X, le photomètre de polarisation, le microscope spectral, le spinthariscope (détecteur de particules utilisé ensuite en génie atomique)…

Dispositif plus ludique le radiomètre est également son invention. Le mécanisme est constitué d’une ampoule dans laquelle on a fait le vide partiel et qui possède un axe sur lequel sont fixées des ailettes de couleur noire d’un côté et réfléchissante de l’autre.

Simple en apparence, l’explication du phénomène s’avère en fait très complexe (même Einstein s’y est collé). La première idée qui vient à l’esprit est que le flux de photons constituant la lumière est absorbé par les faces noires des ailettes et rebondit sur les faces brillantes en leur transférant de la quantité de mouvement et en exerçant ainsi une pression dite de radiation.

Deux faits démentent cette hypothèse : primo la lumière générée par des lampes néon ou économique ne déclenche pas cette rotation, tandis que la seule chaleur de la main est suffisante faire pour fonctionner lentement radiomètre. Secundo si cette explication était la bonne le moulin tournerait dans le sens inverse.

Car on oublie un peu vite que l’énergie transportée par la lumière peut se transformer en chaleur. C’est donc un principe thermodynamique qui est ici à l’œuvre : les surfaces noires absorbent le rayonnement et s’échauffent plus vite que les surfaces brillantes qui le réfléchissent. Les molécules de gaz chauffées près de la face noircie percutent de biais le bord de l’ailette plus fortement que les molécules proches de la face réfléchissante. Il y a dilation du gaz et les molécules se déplacent du côté froid vers le côté chaud (du brillant ou noirci) et provoquent une différence de pression au niveau des bords (et non pas des faces) sensiblement égale à la racine carrée de la différence des températures.

Et cela suffit pour faire tourner l’ensemble.