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Sur la relation courant-température dans les filaments pyrométriques de tungstène

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Academic year: 2022

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(1)

HAL Id: jpa-00205420

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Submitted on 1 Jan 1930

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Sur la relation courant-température dans les filaments pyrométriques de tungstène

G. Ribaud

To cite this version:

G. Ribaud. Sur la relation courant-température dans les filaments pyrométriques de tungstène. J.

Phys. Radium, 1930, 1 (5), pp.176-184. �10.1051/jphysrad:0193000105017600�. �jpa-00205420�

(2)

SUR LA RELATION

COURANT-TEMPÉRATURE

DANS LES FILAMENTS

PYROMÉTRIQUES

DE

TUNGSTÈNE

par M. G. RIBAUD.

Laboratoire de

Pyrométrie

de la Fondation Edmond de Rothchild,

Institut de

Physique

de Strasbourg.

Sommaire. 2014 Aucune étude théorique ne semble avoir été donnée jusqu’ici sur le rapprochement entre filaments longs et courts au point de vue de la forme de la courbe

courant-température et, en particulier, en ce qui concerne la valeur du

rapport di/dt en

un

point de cette courbe.

L’auteur arrive à la conclusion que tous les filaments longs de tungstène dans le vide, quelles que soient leur forme et leurs dimensions, ont, à une température donnée, même valeur du

rapport 1/I dI/dT (ou 1/I dI/dS), S

et T représentant respectivement la tempé-

rature de brillance et la température vraie. Des règles pratiques sont données pour cal- culer le rapport entre la variation dI du courant dans le filament tare d’un pyromètre optique et la variation dS’ de la température de la source visée.

Enfin, reprenant des calculs personnels antérieurs, l’auteur établit la forme générale que doivent présenter les courbes courant-température relatives à des filaments longs

et courts de même diamètre et montre que les calculs effectués à partir de ces courbes

fournissent un très bon accord quantitatif avec les mesures directes.

Dans la

pratique

courante de la

pyrométrie optique

au moyen de

pyromètres

à

dispa-

rition de filament on est très

fréquemment

amené à

rechercher,

au

voisinage

d’une

tempé-

rature t fournie par

l’instrument,

la variation relative du courant en fonction

de t,

ou

plus

z

exactement la

pente

p

2013

de la courbe

température-courant,

i

représentant

le courant dans la

dt

p p

lampe

tare du

pyromètre.

Aucune étude d’ensemble ne semble avoir été donnée

jusqu’ici

sur ce

sujet; Forsythe,

dans un mémoire

déjà

ancien

(1)

s’est borné à donner

quelques

valeurs obtenues

expérimen-

talement sur divers

filaments,

sans aborder la

question

du

point

de vue

théorique.

Aussi

nous a-t-il paru intéressant de rechercher les lois

qui

doivent

régir

de tels

filaments,

que

nous supposerons

placés

dans le vide

(1).

Filaménts

longs.

- Nous

désignerons

sous ce nom des filaments suffisamment

longs

pour

comporter

dans la

région

centrale une zone de

température

constante et

maximum;

dans ces conditions les

points

de la

région

centrale ne subissent aucune

perte d’énergie

par conductibilité

calorifique ;

en ces

points

toute

l’énergie dissipée

par le courant

électriques

se retrouve sous forme de

rayonnement.

Si l’on

désigne

par 6

l’énergie (radiance)

émise par seconde

par 1

cm2 de la surface du

filament, porté

à une certaine

température

et par p la résistivité du métal à cette

tempéra-

ture, l’intensité I du courant nécessaire pour atteindre cette

températures

est fournie

par la

relation :

(1) FORSYTHE, Phys. Rev., t. i7 (1921), p. 26 î.

(2) Pour des raisons pratiques les filaments tare des pyromètres doivent être placés dans le vide;

sinon les courants de convection obligeraient à utiliser toujours le filament dans des mêmes conditions de verticalité. Voir Communication à la Société française de Physique, section de Strasbourg, 5 juill. 1929,

Bull 282.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193000105017600

(3)

177

~-1 étant une constante

qui

ne

dépend

que des dimensions

géométriques

de la section du filament

(1).

Si l’on a tracé une fois pour toutes la courbe

qui représente 1 en

fonction de la

température

’Vraie l’ du

filament,

on aura les valeurs des courants relatifs à un

filament

quelconque

en

multipliant

toutes les ordonnées de la courbe par un même facteur.

Considérons d’abord la variation de I en fonction de ]"’. Si l’on

prend

les différentielles relatives des deux membres de

l’équation (1)

il vient immédiatement :

Les variations relatives de a et de p par

rapport

à

7’, qui figurent

dans la

parenthèse,

et

que nous

désignerons respectivement

par a

et ~

ont

été,

pour le

tungstène, reproduites

dans

un mémoire

personnel (2).

d I

d T

De la relation

précédente

il résulte que, pour un filament

long,

la

quantité dl IdT

ne

dépend

pas des

caraciéristiques géométriqîies

du

filal1lent,

mais

uniquement

de sa

tempé-

rature

vraie,

nous

désignerons

cette

quantité

par a, en

rappelant

que l’on a :

Dans le tableau 1 nous avons

porté,

pour les diverses valeurs de la

température

T du

filament

(colonne 1)

les valeurs de la

quantité a (colonne 6) ;

dans les

premières

colonnes du tableau nous avons fait

figurer également

la

température

vraie t en

degrés centigrades,

la

température

de brillance S

(en degrés Kelvin)

pour le rouge

(0

th,

655)

et la même

tempéra-

ture de brillance s en

degrés centigrades.

..

Des valeurs de a on déduit facilement les valeurs du

rapport fit

7 / t

(7e colonne) :

En

pratique,

dans toutes les mesures

pyrométriques

effectuées au moyen d’un pyro- mètre à

disparition

de

filament,

la

température

du filament

qu’il

convient de considérer n’est pas sa

température

vraie mais bien sa

température

de brillance

S (°Ii)

pour la

longueur

d’onde). utilisée dans l’instrument.

Entre S et T on a la relation

classique :

~).

désignant

le

pouvoir

émissif du

tungstène

pour la radiation À.

En différentiant la relation

précédente

on obtieni :

(~) Pour un filament cylindrique de rayon r, on a A =

~2.~3/2;

pour un filament plat et mince, de largeur it, et d’épaisseur v, on a A = îe

v/2

v.

(2) G. RIBACD et S. XIKITINE, Anrt. de t. 7 (1927), p. 5.

(4)

178 d’où

Les valeurs du

rapport

à

partir

cle la relation

précédente,

sont

11

8

portées

dans la colonne 8 du tableau I.

TABLEAU’ 1. - Constantes

fournissant,

pour des filaments

longs

de

tungstène

dans le

vide,

la variation du courant I en fonction de la

température ( T et t, températures

vraies en

IK et

°C;

S et s,

températures

de brillanèe pour le rouge en °K et

OC).

De même on obtient aisément :

(nombres

de la colonne

9).

s

désignant

la

température

de brillance du filament

exprimée

en

degrés centigrades.

On remarquera que ce dernier dI

Ids

s reste assez sensiblement constant pour On remarquera que ce dernier

rapport 7 / -;

reste assez sensiblement constant pour

i/ s-

toute l’échelle des

températures

et que, par

conséquent,

la courbe

log Ilog

s, pour un fila- ment

long,

ne s’écarte pas nettement d’une droite.

. 1... 1 l d ’d 1 1 i dl

Pour certaines

applications,

il est

plus

commode de

posséder

les valeurs de ou

1 el de

1.

.1 que nous avons

portées

dans les deux dernières colonnes du tableau et

qui se

I dS 1

trOltvent ètre valables pour tous les

filaiiieiits longs.

(5)

179 Les

quantités précédentes représentent,

en

fait,

la variation relative de courant corres-

pondant

à une variation de la

température égale

à 1

degré.

La a

quantité quanhte

, la a

plus

IJ us intéressante à considérer Interessante a conSl erer

1 el 1 (ou 1

dont les variations

I >

I ds

on es varIa Ions

ont été

reproduites

en fonction de sur la courbe de la

figure

1.

Pour

l’application

des relations

précédentes

et

l’interprétation

des nombres du tableau

I,

prenons, à titre

d’exemple,

un filament

pyrométrique long

de

diamètre

0,06 mm.

Pour atteindre une

température

de brillance

égale

à la

température

de fusion de l’or

(1336° Ii).

Fig. 1. - Valeur du rapport en fonction de la température de brillance S (1 courant dans le filament) î d,s

pour des filaments longs de tungstène dans le vide.

un tel filament nécessite un courant 1 d’environ 0,22

ampère;

pour ce filament on a

dI

en

multipliant

par I1’ordonnée de la

figure

1

correspondant

à 13361. On trouve ainsi

d S

ci _-_ 0,

X =

0,00033 ampère : degré.

- p CI

Le même filament, pour

équilibrer

le corps noir au

point

de fusion du

palla-

dium

(1828° Iî)

nécessite un courant cl’environ

0,42 ampére ;

à cette

température

on a :

(6)

180

Cas où le filament est observé à travers un

système

absorbant. - Dans tous les cas

pratiques

de la

pyrométrie optique,

la

température

de brillance

qui

intervient n’est

jamais

celle du

filament,

mais bien la

température apparente

de brillance du filament observé à travers un

système

absorbant.

D’une

part le

filament étant

toujours

enfermé dans une

ampoule

de verre on observera

à l’extérieur de

l’ampoule

une

température

de brillance ’~’ inférieure à la

température

de

brillance vraie S du filament.

De

même, lorsque

dans un

pyromètre,

on

équilibre

le filament avec une source, entre la source et le filament se trouvent

interposés l’objectif

du

pyromètre,

le verrue de

l’ampoule,

et

quelquefois

aussi un verre absorbant. La

quantité qu’il importe

alors de considérer est dl

le

rapport d 8" 8’ représentant

la

température

de brillance de la source

qui équilibre

le

filament

(~).

Si l’on

désigne

par t le facteur de transmission de tout le

système interposé

entre la

source et le

filament,

les

températures

S et S’ se trouvent

reliées par

la relation :

qui,

par

différentiation,

donne :

On

peut

dès lors écrire : -.

La relation

précédente permet,

dans tous les cas, de calculer le

rapport

la

règle

à

do la

règle

à

appliquer

sera la suivante. De la valeur SI

observée,

on déduit la

température

de brillance

vraie S du filament

formule 9-); )

on calcule

d ’0 (égal

à I

multipliée

1 par 1 l’ordonnée de la fi ure 1 corres ondant à S et le nombre ohtenu est ensuite multi lié ar

figure

g 1

correspondant

P à

S) )

et le nombre obtenu est ensuite

multiplié

P par P S2 812’

Examinons d’abord le cas d’un

pyromètre

dans

lequel l’objectif

serait fait de deux

verres non

accolés,

tenons

compte

en outre de

l’absorption

par le verre de

l’ampoule

de la

lampe tare ;

le facteur de transmission r de l’instrument est alors voisin de

0,7.

Si l’on

pointe

un corps noir à une

température

voisine de la fusion de

l’or,

S’ = f 350°

K;

la

relation (2)

fournit S - 1320* K. La

figure

;n 1 fournit pour 1

d I

la valeur

1,54 2 ;

il

dS 2

convient de

multiplier

cette valeur par ~;7, on obtient ainsi

1,48.

Si l’on

prend

sur la

figure

1 l’ordonnée

correspondant

à 1

350,K,

on trouve

~,4~.

Pour un corps noir voisin de la

température

de fusion du

palladium SI

-1 800°

K,

on calcule S - 1 745*

K ;

pour cette

température S

la

figure

1 fournit la valeur

1,14 qui multipliée

par S2 donne

9 0 8.

La

figure

1 pour 1 800° K donne

1,

10.

De sorte

qu’en pratique,

du moins

loi-sque

le

facteur de

transmission ne

descend pas

au-

(’) S’ est en effet la température qui, dans la graduation de l’instrument, est associée au courant A

(2) En fait nous ne tenons pas compte de la valeur absolue de l’intensité 1 qui s’élimine dans le

_ _

dI dI rapport des deux grandeurs

à-,7

et

2013.

°

(7)

181

dessous de /e

0, 7, ,7,

oîi o ZM/’a la / valeur

de d 1 2013

ds, en

pî-eliaîit

siii- /’ la /z de la /

figure

/ / l’ordonziée/y’/?

S’. Les nombres

précédents indiquent

en effet une diffé-

rence ne

dépassant

pas

1/50, précision

suffisante dans la

plupart

des cas

(1) -

Lorsqu’on

se propose de mesurer une

température élevée,

pour éviter de

porter

le

filament tare à

trop

haute

température

on est amené à munir le

pyromètre

d’un verre

absorbant, interposé

entre

FobjectifJ

et la

lampe

tare et dont le facteur de transmission est

toujours

très faible.

Ici la

règle approchée précédente

ne se

justifie plus.

Examinons le cas

pratique

d’un verre absorbant

(densité égale

à

2,

facteur de trans- mission

égal

à

0,01) qui permet

de passer d’une

température

de brillance S’ = 18001 K à

une

température S

voisine de 1 300, K.

Négligeons

d’abord

l’absorption

par

l’objectif

et le verre de la

lampe

tare; pour 8’ = f 800" K et =

0,0

t la formule

(2)

conduit à S = ~ 303° K

(2).

La valeur

de 1 di qui,

sur

la figure

1,

correspond

à l’abscisse 1 305° li doit être

multipliée

I d S g2

par

77,;

on obtient ainsi :

»

Si nous tenons compte de la transmission de

l’objectif

et du verre de

l’ampoule (égale

à

0,7),

nous devons

adopter

z =

0,007.

La

température

de brillance du

filament,

calculée à

partir

de cette

valeur

est S = 1

280"K;

d’où our valeur

de 1, dI ,

p p

l

Les mêmes

calculs,

effectués

pour

= 2 ~~00°

h,

fournissent

respectivement

avec

avec

L’excellent accord entre les valeurs

précédentes permet

de tirer la conclusion

pratique

suivante : pou),

calculer i 20132013~ (S’

étant relative au

pyromètre

avec verre

absorbant),

oit

prendra

la le trouve sur la courbe

de graduation

du SANS VERRE ABSORBANT, et on par

8’2

2 la

figure

/

correspondant à

S.

Relation

courant-température,

dans les filaments courts. - Dans un

pré-

cédent mémoire nous avons été conduits à étudier la courbe de

répartition

des

tenipé-

ratures dans un filament

trop

court pour

posséder

en son centre une zone de

température

(t) Pour T = 0,:5 les différences seraient environ deux fois plus élevées, dans ce cas il serait préférable d’appliquer la formule 3.

(2) La valeur de S ainsi calculée est celle qui correspond à la graduation du pyromètre effectuée sans

verre absorbant.

(~) La règle approchée donnée quelques lignes plus haut conduirait à la valeur 1,1, grossièrement inexacte.

(4) G. RiBAuD et S. ,4>in. de Phys,, t. 7 (192j), p. 27.

(8)

182

uniforme. Nous avons été amenés

également

à calculer la

température 7~ prise

par un tel filament court en son centre en fonction de la

demi-longueur 10

du filament et de la

tempé-

rature que

prendrait

le même filament alimenté par le même courant, mais

supposé

d’e

grande longueur.

La formule à

laquelle

on arrive est la suivante :

ou

P étant un coefficient

qui dépend

de la

température 7"Il

et du rayon du filament

( 1).

En

pratique,

le calcul de

I1m

=

1",;-

s’effectuera de la

façon

suivante : pour une

température J1m’

on calculera la valeur du coefficient

P,

on

multipliera

cette valeur par la

demi-longueur la

du filament

(exprimée

en

cm) ;

la différence

Tm

- ~’~ sera donnée par

l’expression (4),

ont

pourra l’obtenir

également

au moyen de la courbe 6 du mémoire cité

plus

haut

(~).

Il convient de remarquer en outre que, le facteur P croissant assez vite avec la

tempé-

rature,

I1m

-

T,

tend vers zéro au

f ur

et à mesure que la

température augmente ;

l’allure

générale

des courbes est donnée par la

figure

2. La courbe en trait

plein représente,

pour

un filament

long

de diamètre

0,06

mm, la

température

centrale en fonction du courant

I;

les

courbes en

pointillé

sont relatives au même

filament,

mais de

longueurs ~,5; 2

et

1,3

cm.

Sur ces courbes on a

porté

en

ordonnées,

non pas les

températures vraies,

mais les

tempé-

ratures de brillance

S (° I1) qui

nous intéressent

plus directement, puisque

ce sont elles

qui

interviennent dans un

pyromètre

à

disparition

de filament. On remarquera

qu’un

fila-

ment de

longueur 2,5

cm et de diamètre

0,06

mm se

comporte pratiquement

comme un

filament

long

à

partir

d’une

température

de brillance 1900"K environ.

Considérons un courant I et un accroissement de courant A 7

(fig. 2) ;

pour le filament

long,

la

température

de brillance varie de S

--~ ~ .S,

pour le filament court de S’ à S’

-~- ~ ~S’ ;

si nous considérons la

quantité :

relative au filament

court

elle sera obtenue en

multipliant

la

quantité analogue

7 * -dS’ 1 q g

1 di AS .

7 Tc relative au filament

long,

par le facteur

De

la forme

générale

des courbes il

7 ds’ a p Ao a

résulte

que AS’ est toujours supérieure

à et que, par

conséquent,

pour un

court le

uotient

est

plus faible

que un

filaj)teîît long

de même

diamètre,

d *S

et d’autant

plus

faible que le filament est

plus

court

(1).

Ceci est bien en accord avec le

résultat trouvé

expérimentalement

par

Forsythe.

l d I

Dans ce

qui précède

I 1 les valeurs

comparatives

p de 1

d j

sont

rapportées

à une même

î

valeur de

I;

il est

préférable

de les

rapporter

à une même valeur de

15,

et par

conséquent

de considérer deux droites

S, S + 3, S parallèles

à l’axe des abscisses. Si l’on

rapproche

les

valeurs

(I,

I

+ A 7)

relatives au filament

long

des valeurs

correspondantes (1’,

l’ + relatives au filament court, on a l’ > I

[ ~ I ;

pour cette double raison, la

quantités

-.20132013

relative au filament court est

plus

faible que celle

correspondant

au filament

long,

ce

7 d*S 1 g

qni

confirme la

rèi-dc

ci-dessus. , Le

rapport

des (lieux

quantités précédentes

est donné par :

On trouvera les valeurs de P dans le travail original de V’orthing et dans le tableau I- du

mémoire précédente.

(2 Ln,l erreur matérielle s’est glissée dans la figure 6 de ce mémoire; toutes les abscisses doivent être

multipliées par le nombre 2,33.

(~~ De ce qui précède résulte la conclusion pratique générale suivante : les filaments longs présentent.

toutes choses égales, uue plus grande variation relative de courant que les iilaments courls.

(9)

183 les valeurs de ce

rapport, pour 1

330J K et pour des filaments de

longueurs 9.5 j

2 et

i,r>

cm

(diamètre 0,06 mm),

sont

respectivement

0.75:

0,67

et

0,55.

On sait que la courbe

courant-température

d’un filament

quelconque peut

être

repré- sentée,

en

première approximation,

par une formule

parabolique

à 3 termes :

De ce

qui précède

découle le fait suivant : toutes choses

égales,

le coefficient a est d’autant

plus

faible que le filament est

plus

court

(1).

Fig. 2. -- Courbes comparatives (courant, température de brillance au centre) fournies par des filaments de même diamètre (0,06 mm environ) et de longueurs différentes.

Il nous reste à comparer les résultats donnés par

l’expérience

avec ceux fournis par le calcul dans le cas de filaments courts.

L’étalonnage

d’un

pyromètre, comportant

un filament tare de diamètre voisine de

0,66

mm et de

longueur 2

cm

environ,

effectuée par J. Mendousse au laboratoire de pyro- métrie de la Fondation Edm. de

Rothschild,

a fourni

l’équation

suivante

(~5’, température

de brillance de la

source) :

Le calcul

(-le1 .

c1I

ià partir

de la foriiiule

précédente,

fournit

respectivement :

Le calcul

de - . 2013

y d sà

partir

de la formule

précédente,

fournit

respectivement :

pour les

températures :

(1) Il semble bien qu’on ne puisse tirer aucune conclusion simple quant à la valeur du.,-coefficient 6.

(10)

184

Si l’on se

reporte

au tableau

I,

on ;oit que l’accord est excellent

pour 1 900°

K,

tempé-

rature à

partir

de

laquelle

le filament se

comporte pratiquement

comme un filament

long ;

pour les

températures

inférieures les nombres fournis par

l’expérience

sont

plus faibles

que les nombres

théoriques

relatifs aux filaments

longs,

ce

qui

est bien conforme à notre théorie.

11 est

possible

d’ailleurs de

calculer,

pour le filament court

ci-dessus,

la valeur que doit pour 1330° K par p

exemple;

p on doit

multiplier

la valeur

1,53

relative au filament

long (tableau I)

par le facteur

0,67

déterminé

plus haut,

ce

qui

fournit

,01,

nombre en très

bon accord avec la valeur

expérimentale

ci-dessus.

Un autre

exemple emprunté

à un mémoire récent de

Fairchild,

Hoover et Peters

(1)

va

nous fournir un nouveau contrôle de la théorie. Le filament utilisé par les auteurs néces- sitait au

point

de fusion de

l’or S =1 336,K)

un courant 1 =

0, iis

amp. La valeur de

,

)

p

calculée pour ce filament à

partir

du tableau I est : 1,53 X

0,iis

X f0-3 =

0,000176.

Le nombre

expérimental

obtenu par les auteurs es

t 0, 0 0 0 ~ 5 ;

valeur un peu

plus

faible

que la

précédente,

ce

qui

est conforme à la

théorie,

le filament se

comportant

à cette

tempé-

rature comme un filament court. De la valeur de I on déduit d’ailleurs que le filament doit avoir un diamètre

compris

entre

0,04

et

0,05

mm ; si l’on admet une

longueur

d’environ 2 à

2,5

cm, la correction à faire subir au nombre

0,000176 peut

être

calculée;

il convient de

multiplier

cette dernière valeur par un facteur

compris

entre

0,80

et

0,90,

ce

qui

conduit à

une concordance très satisfaisante.

En

résumé, qu’il s’agisse

de filaments

longs

ou de filaments

courts,

la théorie

permet

de rendre

compte, qualitativement

et

quantativement,

des

particularités présentées

par la courbe

courant température,

en

particulier

celles

qui

intéressent la

pratique

courante du

pyromètre

à

disparition

de filament.

Comme nous Pavons

précisé

au

début,

tout ce

qui précède

est

uniquement

relatif à des filaments de

tungstène placés

dans le

vide;

on

peut

toutefois

tirer,

sinon

quantativement,

du moins

qualitativement,

des concluqions

analogues

pour des filaments en

atmosphère

gazeuse. Si les valeurs

numériques

données au cours du texte ne sont

plus

valables pour

ces derniers

filaments,

il n’en subsiste pas moins que la variation relative du

courant,

pour

une variation de

température donnée,

doit être dans tous les cas

plus grande,

toutes

choses

égales,

pour un filament

long

que pour un filament

court,

et que la forme

générale comparative

des courbes

courant-température

pour des filaments

longs

et courts conserve

même allure.

l F:1IRC°ILD, HOOVER et PETERS, Bur. Stand. J. Research., t. 2 (1929), p. 931.

:Manuscrit reçu le 23 janvier 1930.

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