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�
SUR LA RELATION
COURANT-TEMPÉRATURE
DANS LES FILAMENTSPYROMÉTRIQUES
DETUNGSTÈNE
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
unpoint 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 lapyrométrie optique
au moyen depyromètres
àdispa-
rition de filament on est très
fréquemment
amené àrechercher,
auvoisinage
d’unetempé-
rature t fournie par
l’instrument,
la variation relative du courant en fonctionde t,
ouplus
z
exactement la
pente
p2013
de la courbetempérature-courant,
ireprésentant
le courant dans ladt
p ’ plampe
tare dupyromètre.
Aucune étude d’ensemble ne semble avoir été donnée
jusqu’ici
sur cesujet; Forsythe,
dans un mémoire
déjà
ancien(1)
s’est borné à donnerquelques
valeurs obtenuesexpérimen-
talement sur divers
filaments,
sans aborder laquestion
dupoint
de vuethéorique.
Aussinous a-t-il paru intéressant de rechercher les lois
qui
doiventrégir
de telsfilaments,
quenous supposerons
placés
dans le vide(1).
Filaménts
longs.
- Nousdésignerons
sous ce nom des filaments suffisammentlongs
pour
comporter
dans larégion
centrale une zone detempérature
constante etmaximum;
dans ces conditions les
points
de larégion
centrale ne subissent aucuneperte d’énergie
par conductibilité
calorifique ;
en cespoints
toutel’énergie dissipée
par le courantélectriques
se retrouve sous forme de
rayonnement.
Si l’on
désigne
par 6l’énergie (radiance)
émise par secondepar 1
cm2 de la surface dufilament, porté
à une certainetempérature
et par p la résistivité du métal à cettetempéra-
ture, l’intensité I du courant nécessaire pour atteindre cettetempératures
est fourniepar 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
177
~-1 étant une constante
qui
nedépend
que des dimensionsgéométriques
de la section du filament(1).
Si l’on a tracé une fois pour toutes la courbequi représente 1 en
fonction de latempérature
’Vraie l’ dufilament,
on aura les valeurs des courants relatifs à unfilament
quelconque
enmultipliant
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 del’équation (1)
il vient immédiatement :Les variations relatives de a et de p par
rapport
à7’, qui figurent
dans laparenthèse,
etque nous
désignerons respectivement
par aet ~
ontété,
pour letungstène, reproduites
dansun mémoire
personnel (2).
d I
d T
De la relation
précédente
il résulte que, pour un filamentlong,
laquantité dl IdT
ne
dépend
pas descaraciéristiques géométriqîies
dufilal1lent,
maisuniquement
de satempé-
rature
vraie,
nousdésignerons
cettequantité
par a, enrappelant
que l’on a :Dans le tableau 1 nous avons
porté,
pour les diverses valeurs de latempérature
T dufilament
(colonne 1)
les valeurs de laquantité a (colonne 6) ;
dans lespremières
colonnes du tableau nous avons faitfigurer également
latempérature
vraie t endegrés centigrades,
latempérature
de brillance S(en degrés Kelvin)
pour le rouge(0
th,655)
et la mêmetempéra-
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 mesurespyrométriques
effectuées au moyen d’un pyro- mètre àdisparition
defilament,
latempérature
du filamentqu’il
convient de considérer n’est pas satempérature
vraie mais bien satempérature
de brillanceS (°Ii)
pour lalongueur
d’onde). utilisée dans l’instrument.
Entre S et T on a la relation
classique :
~).
désignant
lepouvoir
émissif dutungstène
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 = îev/2
v.(2) G. RIBACD et S. XIKITINE, Anrt. de t. 7 (1927), p. 5.
178 d’où
Les valeurs du
rapport
àpartir
cle la relationprécédente,
sont11
8portées
dans la colonne 8 du tableau I.TABLEAU’ 1. - Constantes
fournissant,
pour des filamentslongs
detungstène
dans levide,
la variation du courant I en fonction de la
température ( T et t, températures
vraies enIK et
°C;
S et s,températures
de brillanèe pour le rouge en °K etOC).
De même on obtient aisément :
(nombres
de la colonne9).
s
désignant
latempérature
de brillance du filamentexprimée
endegrés centigrades.
On remarquera que ce dernier dI
Ids
s reste assez sensiblement constant pour On remarquera que ce dernierrapport 7 / -;
reste assez sensiblement constant pouri/ s-
toute l’échelle des
températures
et que, parconséquent,
la courbelog Ilog
s, pour un fila- mentlong,
ne s’écarte pas nettement d’une droite.. 1... 1 l d ’d 1 1 i dl
Pour certaines
applications,
il estplus
commode deposséder
les valeurs de ou1 el de
1.
.1 que nous avonsportées
dans les deux dernières colonnes du tableau etqui se
I dS 1
trOltvent ètre valables pour tous les
filaiiieiits longs.
179 Les
quantités précédentes représentent,
enfait,
la variation relative de courant corres-pondant
à une variation de latempérature égale
à 1degré.
La a
quantité quanhte
, la aplus
IJ us intéressante à considérer Interessante a conSl erer1 el 1 (ou 1 dont les variations
I >
I ds
on es varIa Ionsont été
reproduites
en fonction de sur la courbe de lafigure
1.Pour
l’application
des relationsprécédentes
etl’interprétation
des nombres du tableauI,
prenons, à titred’exemple,
un filamentpyrométrique long
dediamètre
0,06 mm.Pour atteindre une
température
de brillanceégale
à latempérature
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 adI
enmultipliant
par I1’ordonnée de lafigure
1correspondant
à 13361. On trouve ainsid S
ci _-_ 0,
X =0,00033 ampère : degré.
’
- p CI
Le même filament, pour
équilibrer
le corps noir aupoint
de fusion dupalla-
dium
(1828° Iî)
nécessite un courant cl’environ0,42 ampére ;
à cettetempérature
on a :
180
Cas où le filament est observé à travers un
système
absorbant. - Dans tous les caspratiques
de lapyrométrie optique,
latempérature
de brillancequi
intervient n’estjamais
celle dufilament,
mais bien latempérature apparente
de brillance du filament observé à travers unsystème
absorbant.D’une
part le
filament étanttoujours
enfermé dans uneampoule
de verre on observeraà l’extérieur de
l’ampoule
unetempérature
de brillance ’~’ inférieure à latempérature
debrillance vraie S du filament.
De
même, lorsque
dans unpyromètre,
onéquilibre
le filament avec une source, entre la source et le filament se trouventinterposés l’objectif
dupyromètre,
le verrue del’ampoule,
et
quelquefois
aussi un verre absorbant. Laquantité qu’il importe
alors de considérer est dlle
rapport d 8" 8’ représentant
latempérature
de brillance de la sourcequi équilibre
lefilament
(~).
Si l’on
désigne
par t le facteur de transmission de tout lesystème interposé
entre lasource et le
filament,
lestempératures
S et S’ se trouventreliées par
la relation :qui,
pardifférentiation,
donne :On
peut
dès lors écrire : -.La relation
précédente permet,
dans tous les cas, de calculer lerapport
larègle
àdo la
règle
àappliquer
sera la suivante. De la valeur SIobservée,
on déduit latempérature
de brillancevraie S du filament
formule 9-); )
on calculed ’0 (égal
à Imultipliée
1 par 1 l’ordonnée de la fi ure 1 corres ondant à S et le nombre ohtenu est ensuite multi lié arfigure
g 1correspondant
P àS) )
et le nombre obtenu est ensuitemultiplié
P par P S2 812’Examinons d’abord le cas d’un
pyromètre
danslequel l’objectif
serait fait de deuxverres non
accolés,
tenonscompte
en outre del’absorption
par le verre del’ampoule
de lalampe tare ;
le facteur de transmission r de l’instrument est alors voisin de0,7.
Si l’on
pointe
un corps noir à unetempérature
voisine de la fusion del’or,
S’ = f 350°K;
la
relation (2)
fournit S - 1320* K. Lafigure
;n 1 fournit pour 1d I
la valeur1,54 2 ;
ildS 2
convient de
multiplier
cette valeur par ~;7, on obtient ainsi1,48.
Si l’onprend
sur lafigure
1 l’ordonnéecorrespondant
à 1350,K,
on trouve~,4~.
Pour un corps noir voisin de la
température
de fusion dupalladium SI
-1 800°K,
on calcule S - 1 745*
K ;
pour cettetempérature S
lafigure
1 fournit la valeur1,14 qui multipliée
par S2 donne9 0 8.
Lafigure
1 pour 1 800° K donne1,
10.De sorte
qu’en pratique,
du moinsloi-sque
lefacteur de
transmission nedescend 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
et2013.
°181
dessous de /e
0, 7, ,7,
oîi o ZM/’a la / valeurde d 1 2013
ds, enpî-eliaîit
siii- /’ la /z de la /figure
/ / l’ordonziée/y’/?S’. Les nombres
précédents indiquent
en effet une diffé-rence ne
dépassant
pas1/50, précision
suffisante dans laplupart
des cas(1) -
Lorsqu’on
se propose de mesurer unetempérature élevée,
pour éviter deporter
lefilament tare à
trop
hautetempérature
on est amené à munir lepyromètre
d’un verreabsorbant, interposé
entreFobjectifJ
et lalampe
tare et dont le facteur de transmission esttoujours
très faible.Ici la
règle approchée précédente
ne sejustifie plus.
Examinons le cas
pratique
d’un verre absorbant(densité égale
à2,
facteur de trans- missionégal
à0,01) qui permet
de passer d’unetempérature
de brillance S’ = 18001 K àune
température S
voisine de 1 300, K.Négligeons
d’abordl’absorption
parl’objectif
et le verre de lalampe
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,
surla figure
1,correspond
à l’abscisse 1 305° li doit êtremultipliée
I d S g2
par
77,;
on obtient ainsi :»
Si nous tenons compte de la transmission de
l’objectif
et du verre del’ampoule (égale
à
0,7),
nous devonsadopter
z =0,007.
Latempérature
de brillance dufilament,
calculée àpartir
de cettevaleur
est S = 1280"K;
d’où our valeurde 1, dI ,
p p
l
Les mêmes
calculs,
effectuéspour
= 2 ~~00°h,
fournissentrespectivement
avec
avec
L’excellent accord entre les valeurs
précédentes permet
de tirer la conclusionpratique
suivante : pou),
calculer i 20132013~ (S’
étant relative aupyromètre
avec verreabsorbant),
oitprendra
la le trouve sur la courbede graduation
du SANS VERRE ABSORBANT, et on par
8’2
2 lafigure
/correspondant à
S.Relation
courant-température,
dans les filaments courts. - Dans unpré-
cédent mémoire nous avons été conduits à étudier la courbe de
répartition
destenipé-
ratures dans un filament
trop
court pourposséder
en son centre une zone detempérature
(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.
182
uniforme. Nous avons été amenés
également
à calculer latempérature 7~ prise
par un tel filament court en son centre en fonction de lademi-longueur 10
du filament et de latempé-
rature que
prendrait
le même filament alimenté par le même courant, maissupposé
d’egrande longueur.
La formule à
laquelle
on arrive est la suivante :ou
P étant un coefficient
qui dépend
de latempérature 7"Il
et du rayon du filament( 1).
Enpratique,
le calcul deI1m
=1",;-
s’effectuera de lafaçon
suivante : pour unetempérature J1m’
on calculera la valeur du coefficient
P,
onmultipliera
cette valeur par lademi-longueur la
du filament
(exprimée
encm) ;
la différenceTm
- ~’~ sera donnée parl’expression (4),
ontpourra l’obtenir
également
au moyen de la courbe 6 du mémoire citéplus
haut(~).
Il convient de remarquer en outre que, le facteur P croissant assez vite avec la
tempé-
rature,I1m
-T,
tend vers zéro auf ur
et à mesure que latempérature augmente ;
l’alluregénérale
des courbes est donnée par lafigure
2. La courbe en traitplein représente,
pourun filament
long
de diamètre0,06
mm, latempérature
centrale en fonction du courantI;
lescourbes en
pointillé
sont relatives au mêmefilament,
mais delongueurs ~,5; 2
et1,3
cm.Sur ces courbes on a
porté
enordonnées,
non pas lestempératures vraies,
mais lestempé-
ratures de brillance
S (° I1) qui
nous intéressentplus directement, puisque
ce sont ellesqui
interviennent dans un
pyromètre
àdisparition
de filament. On remarqueraqu’un
fila-ment de
longueur 2,5
cm et de diamètre0,06
mm secomporte pratiquement
comme unfilament
long
àpartir
d’unetempérature
de brillance 1900"K environ.Considérons un courant I et un accroissement de courant A 7
(fig. 2) ;
pour le filamentlong,
latempérature
de brillance varie de S--~ ~ .S,
pour le filament court de S’ à S’-~- ~ ~S’ ;
si nous considérons laquantité :
relative au filament
court
elle sera obtenue enmultipliant
laquantité analogue
7 * -dS’ 1 q g
1 di AS .
7 Tc relative au filament
long,
par le facteurDe
la formegénérale
des courbes il7 ds’ a p Ao a
résulte
que AS’ est toujours supérieure
à et que, parconséquent,
pour uncourt le
uotient
estplus faible
que unfilaj)teîît long
de mêmediamètre,
d *S
et d’autant
plus
faible que le filament estplus
court(1).
Ceci est bien en accord avec lerésultat trouvé
expérimentalement
parForsythe.
l d I
Dans ce
qui précède
I 1 les valeurscomparatives
p de 1d j
sontrapportées
à une mêmeî
valeur de
I;
il estpréférable
de lesrapporter
à une même valeur de15,
et parconséquent
de considérer deux droites
S, S + 3, S parallèles
à l’axe des abscisses. Si l’onrapproche
lesvaleurs
(I,
I+ A 7)
relatives au filamentlong
des valeurscorrespondantes (1’,
l’ + relatives au filament court, on a l’ > I[ ~ I ;
pour cette double raison, laquantités
-.20132013
relative au filament court estplus
faible que cellecorrespondant
au filamentlong,
ce7 d*S 1 g
qni
confirme larèi-dc
ci-dessus. , Lerapport
des (lieuxquantités 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.
183 les valeurs de ce
rapport, pour 1
330J K et pour des filaments delongueurs 9.5 j
2 eti,r>
cm(diamètre 0,06 mm),
sontrespectivement
0.75:0,67
et0,55.
On sait que la courbe
courant-température
d’un filamentquelconque peut
êtrerepré- sentée,
enpremière approximation,
par une formuleparabolique
à 3 termes :De ce
qui précède
découle le fait suivant : toutes choseségales,
le coefficient a est d’autantplus
faible que le filament estplus
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’unpyromètre, comportant
un filament tare de diamètre voisine de0,66
mm et delongueur 2
cmenviron,
effectuée par J. Mendousse au laboratoire de pyro- métrie de la Fondation Edm. deRothschild,
a fournil’équation
suivante(~5’, température
de brillance de la
source) :
Le calcul
(-le1 .
c1Iià partir
de la foriiiuleprécédente,
fournitrespectivement :
Le calcul
de - . 2013
y d sàpartir
de la formuleprécédente,
fournitrespectivement :
pour les
températures :
(1) Il semble bien qu’on ne puisse tirer aucune conclusion simple quant à la valeur du.,-coefficient 6.
184
Si l’on se
reporte
au tableauI,
on ;oit que l’accord est excellentpour 1 900°
K,tempé-
rature à
partir
delaquelle
le filament secomporte pratiquement
comme un filamentlong ;
pour les
températures
inférieures les nombres fournis parl’expérience
sontplus faibles
que les nombres
théoriques
relatifs aux filamentslongs,
cequi
est bien conforme à notre théorie.11 est
possible
d’ailleurs decalculer,
pour le filament courtci-dessus,
la valeur que doit pour 1330° K par pexemple;
p on doitmultiplier
la valeur1,53
relative au filamentlong (tableau I)
par le facteur0,67
déterminéplus haut,
cequi
fournit,01,
nombre en trèsbon accord avec la valeur
expérimentale
ci-dessus.Un autre
exemple emprunté
à un mémoire récent deFairchild,
Hoover et Peters(1)
vanous fournir un nouveau contrôle de la théorie. Le filament utilisé par les auteurs néces- sitait au
point
de fusion del’or S =1 336,K)
un courant 1 =0, iis
amp. La valeur de,
)
pcalculée pour ce filament à
partir
du tableau I est : 1,53 X0,iis
X f0-3 =0,000176.
Le nombre
expérimental
obtenu par les auteurs est 0, 0 0 0 ~ 5 ;
valeur un peuplus
faibleque la
précédente,
cequi
est conforme à lathéorie,
le filament secomportant
à cettetempé-
rature comme un filament court. De la valeur de I on déduit d’ailleurs que le filament doit avoir un diamètre
compris
entre0,04
et0,05
mm ; si l’on admet unelongueur
d’environ 2 à2,5
cm, la correction à faire subir au nombre0,000176 peut
êtrecalculée;
il convient demultiplier
cette dernière valeur par un facteurcompris
entre0,80
et0,90,
cequi
conduit àune concordance très satisfaisante.
En
résumé, qu’il s’agisse
de filamentslongs
ou de filamentscourts,
la théoriepermet
de rendre
compte, qualitativement
etquantativement,
desparticularités présentées
par la courbecourant température,
enparticulier
cellesqui
intéressent lapratique
courante dupyromètre
àdisparition
de filament.Comme nous Pavons
précisé
audébut,
tout cequi précède
estuniquement
relatif à des filaments detungstène placés
dans levide;
onpeut
toutefoistirer,
sinonquantativement,
du moins
qualitativement,
des concluqionsanalogues
pour des filaments enatmosphère
gazeuse. Si les valeurs
numériques
données au cours du texte ne sontplus
valables pources derniers
filaments,
il n’en subsiste pas moins que la variation relative ducourant,
pourune variation de
température donnée,
doit être dans tous les casplus grande,
touteschoses
égales,
pour un filamentlong
que pour un filamentcourt,
et que la formegénérale comparative
des courbescourant-température
pour des filamentslongs
et courts conservemême allure.
l F:1IRC°ILD, HOOVER et PETERS, Bur. Stand. J. Research., t. 2 (1929), p. 931.
:Manuscrit reçu le 23 janvier 1930.