HAL Id: jpa-00241645
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Submitted on 1 Jan 1911
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Rotation spontanée et rotation dans un champ magnétique de l’arc à mercure. - Observation du
phénomène de Doppler
A. Dufour
To cite this version:
A. Dufour. Rotation spontanée et rotation dans un champ magnétique de l’arc à mercure. - Observation du phénomène de Doppler. J. Phys. Theor. Appl., 1911, 1 (1), pp.109-116.
�10.1051/jphystap:0191100102010901�. �jpa-00241645�
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Ces deux dernières formules ont servi à calculer la table sui- vante :
J’ajouterai en terminant que les raisons théoriques (polymérisa-
tion) qui m’ont fait penser à une formule de ce type sont les mêmes
pour tous les liquides à molécules associées (alcools, acides orga-
niques, etc..., et probablement mercure à basses températures). Il est
donc probable que c’est par des expressions analogues que l’on pour- rait le mieux représenter la dilatation de ces liquides. Mais les don- nées expérimentales (sauf peut-être pour le mercure) ne sont pas
assez précises pour justifier l’abandon des formules paraboliques.
Enfin, malgré la concordance remarquable de la formule que j’ai
donnée - formule prévue théoriquement - avec l’expérience, il y a des raisons de croire que le terme exponentiel ne représente en réa-
lité qu’assez grossièrement les variations de la quantité de molécules
polymérisées. J’aurai bientôt l’occasion d’examiner plus complète-
ment cette question.
ROTATION SPONTANÉE ET ROTATION DANS UN CHAMP MAGNÉTIQUE DE L’ARC
A MERCURE. 2014 OBSERVATION DU PHÉNOMÈNE DE DOPPLER (1) ;
Par M. A. DUFOUR.
Rotation spontanée de l’arc.
-On a utilisé un arc à mercure jail-
lissant sous une faible pression entre deux électrodes concentriques
en mercure, séparées l’une de l’autre par un tube de quartz cylindrique
(1) Communication faite à la Société française de Physique, séance du 6 jan - vier 1912.
,
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:0191100102010901
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vertical d’un diamètre d’environ 1 centimètre. L’intensité du cou- rant est d’une dizaine d’ampères ; le mercure central étant relié
au pôle négatif de la source, le fonctionnement de l’arc est très stable et très régulier, même aux basses pressions. La lumière uti- lisée est, dans tous les cas, émise dans une direction peu inclinée
sur l’horizontale.
.
Quand la pression est de l’ordre du dixième de millimètre de
mercure dans l’ampoule scellée, l’arc apparaît d’abord sous la forme
d’une lueur peu éclatante, entourant un espace obscur et qui remplit
.
presque complètement l’ampoule. Au bout de quelques minutes de
fonctionnement, la pression s’est élevée dans l’arc par suite de l’échauffement du mercure, et la partie lumineuse se trouve surtout
à l’intérieur du tube central; à sa partie supérieure, elle a la forme
d’une calotte de révolution qui recouvre l’oritice du tube de quartz.
En l’observant dans un miroir tournant autour d’un axe horizontal,
on constate que cette calotte lumineuse est due à une rotation ra-
pide de l’arc, rotation qui dépend de l’intensité du courant, et qui
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-s’effectue autour de l’axe de révolution de l’appareil, le long du bord supérieur du tube central.
On constate parfois un changement brusque du sens de la rota- tion, sans cause apparente. La photographie 1, qui correspond à la
vitesse maxima observée (1.670 tours par seconde), donne un exemple
de changement brusque du sens de la rotation.
On peut mettre en évidence le mouvement tournant de la vapeur de mercure, mais sans pouvoir alors mesurer sa vitesse, en plaçant
au bord du tube de quartz, et excentré par rapport à celui-ci, un petit
Inoulinet à ailettes, mobile autour d’un axe vertical. Aussitôt que l’arc est allumé, ce moulinet se met à tourner assez rapidement tantôt
dans un sens, tantôt dans l’autre.
ACTION D’UN CHAMP MAGNETIQUE.
-1° Variation de l’intensité et de de l’arc.
--L’arc à mercure pouvait être placé dans un champ magnétique vertical, produit par un électro-aimant dont l’entrefer pouvait atteindre 12 centimètres.
Quand la pression dans l’ampoule est de l’ordie du 1 50 de milli-
mètre de mercure, la création du champ mag nétique fait apparaître
un faisceau éclatant de rayons magnéto-cathodiques.
Si la pression est plus élevée, l’intensité et l’éclat de l’arc sont
augmentés par l’existence du champ magnétique. La dépense d’énergie électrique dans l’arc croit beaucoup moins vite.
2° Rotation de tare clans le chan2p 1nagnétique. - Phénomène de
Doppler.
-Quand la pression dans l’arc n’est pas trop basse, de l’ordre du millimètre de mercure, par exemple, l’arc qui contourne
le bord supérieur du tube de quartz acquiert un vif mouvement de
rotation dans le champ magnétique vertical ; on entend alors, le plus
souvent, un son aigu peu intense dont la hauteur est en relation avec
la vitesse de cette rotation. Pour mettre en évidence la rotation de
l’ar~, on peut utiliser encore le moulinet déjà employé, à condition
de le constituer avec des matériaux non magnétiques. On constate
ainsi que le sens de la rotation de l’arc est bien conforme à celui que permet de prévoir la règle classique ; si l’on change le sens du champ, la rotation change aussi de sens.
La mesure directe de lavitesse de rotation de l’arc, faite au miroir tournant, a montré que cette vitesse peut atteindre 17 000 tours par seconde dans un champ de 3 000 unités.
Cette vitesse de rotation correspond à une vitesse linéaire de
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650 mètres par seconde (celle d’une balle de fusil) pour l’arc au bord du tube de quartz. Si les particules lumineuses avaient cette même
vitesse, il y aurait donc là un procédé intéressant pour obtenir le
phénomène de Doppler. Il était donc indiqué d’observer au spec- troscope et de comparer entre elles les radiations émises par les dif- férentes régions de l’arc.
FIG. 2.
On a utilisé un étalon Pérot et Fabry, à lames semi-argentées,
avec cales en invar d’épaisseur 1 centimètre ; on l’éclaire avec la lumière provenant d’une région donnée de l’arc, en plaçant les cuves convenables, destinées à ne laisser passer que la raie qu’on veut étu- dier ; une lunette pointée sur l’infini permet d’observer les anneaux.
Toute variation de la longueur d’onde de la source éclairante se
traduit, comme on sait, par une variation en sens inverse du diamètre de chaque anneau.
A cause de la valeur élevée du champ magnétique où se trouve l’arc
le phénomène de Zeeman va s’ajouter à celui que l’on recherche.
Pour simplifier les apparences, un nicol convenablement orienté ne
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laisse passer que les vibrations parallèles aux lignes de force ou
inversement celles qui sont perpendiculaires au champ.
On a pu constater visuellement le phénomène de Doppler à l’aide
d’un dispositif optique convenable en observant sur les demi-an-
neaux émis respectivement par les bords de l’arc, dans le champ magnétique, des apparences analogues à celles rencontrées dans
l’expérience classique du balancement des raies.
Les photographies 2 et 3 données ici et qui sont relatives aux com- posantes de la raie violette, vibrant parallèlement au champ, ont été
obtenues par un procédé différents qui permet d’avoir une ligne de
dérnarcation très fine entre les deux plages à comparer. Sur la même plaque, placée au foyer de la lunette d’observation, en utili-
sant deux volets disposés tout près du cliché sans le toucher, et en
croisant les poses pour corriger les erreurs possibles de déplace-
ment, on enregistre les demi-anneaux émis par une région donnée
de l’arc, ceux de gauche correspondant à un sens du champ, ceux de
droite à l’autre sens. La photographie 2 donne le résultat obtenu
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quand on utilise la lumière émise par le milieu de l’arc: les diamètres
sont les mêmes pour les deux rég ions. La photographie 3, obtenue en
prenant comme source un bord de l’arc, montre que les demi-anneaux n’ont plus le même diamètre : ils sont plus petits du côté correspon- dant au sens du champ pour lequel l’arc s’éloigne de l’observateur.
Les mesures ont été faites à la machine à diviser sur les photogra- phies des anneaux entiers de cette même raie violette fournis par
chaque bord de l’arc pour les deux sens du champ. La variation de
diamètre des anneaux est nettement inférieure à celle qui corres- pondrait à la vitesse de rotation mesurée at~ miroir tournant. On peut
s’en rendre compte sur la photogr’aphie 3 : la différence des ordres d’interférence des deux régions de cette photographie est de 1 16 en-
viron, l’ordre au centre étant de 46 000. De plus, la variation de dia-
mètre d’un anneau est plus grande quand l’arc s’éloigne de l’obser- vateur que lorsqu’il s’en approche ; le rapport de ces deux variations
est d’environ 2,5. On n’a pas constaté d’erreurs systématiques dans
les mesures.
,En résurné, les résultats expérimentaux sont les suivants :
10 Sous l’influence du champ magnétique vertical, l’arc à mercure
tourne dans le sens prévu par les lois de l’électromagnétisme, avec
une vitesse croissante avec le champ, de l’ordre de 17 t;00 tours par seconde dans un champ de 3 000 unités, comme le montre un miroir tournant;
2° On peut constater le phénomène de Doppler sur les radiations émises par les bords de l’arc; la variation de longueur d’onde est qualitativement d’accord avec le sens de la rotation ; elle ne paraît
pas changer sensiblement quand le champ passe de 2 000 à 3 000 unités j t
elle est plusieurs fois inférieure à celle que la vitesse de rotation me-
surée directement permettrait de prévoir; enfin la variation de lon- gueur d’onde mesurée est d’environ deux fois plus grande quand
l’arc s’éloigne de l’observateur que lorsqu’il s’en approche.
On peut interpréter les résultats précédents de la manière sui- vante : la trajectoire lumineuse du courant (lieu des points qui à chaque instant envoient de la lumière) tourne à la vitesse considé-
rable observée au miroir tournant; en créant s~~ son passage la luminosité de la vapeur, le courant entraîne avec lui les particules
lumineuses dans le sens de son mouvement, avec une vitesse plus
faible que celle qu’il a lui-méme ; enfin la vapeur de mercure parti-
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cipe au mouvement de rotation précédent, mais avec une vitesse très
inférieure à celé des particules lumineuses. La lumière émise tra-
verse cette vapeur de mercure qui forme,
auvoisinage de l’orifice du tube de quartz central, une calotte de révolution se trouvant dans des conditions voisines de celles de la vapeur lumineuse. Du côté où l’arc
s’approche de l’observateur, et par suite de la rotation des particules lumineuses, la long ueur optique du trajet parcouru par la lumière diminue, tandis que du côté opposé c’est l’inverse, il en résulte donc
un phénomène de Doppler complexe résultant à la fois du déplace-
ment de la source par rapport à l’observateur et de la variation de la
longueur optique du chemin de la lum ière dans les milieux traversés.
Le calcul correct de cet effet Doppler a été donné par W. Michel-
son (1), dans un mémoire peu connu que m’a signalé M. Cotton.
Mais ces considérations ne rendent pas compte de la dissymétrie
du phénomène, suivant que la source s’approche ou s’éloigne de
l’observateur. Pour l’expliquer, jE fais intervenir la dispersion ano-
male de la vapeur au voisinage d’une de ses raies, en tenant compte
de la différence des vitesses des particules lumineuses et de la vapeur absorbante.
Soit une source lumineuse placée dans un milieu sensiblement immobile, d’indice n’ pour la fréquence de la radiation utilisée dans le milieu considéré et animée d’une vitesse v parallèle au rayon lu- mineux reçu par l’observateur supposé fixe. Si ), est la longueur
d’onde de cette radiation quand la source est immobile, la variation apparente de longueur d’onde pour l’observateur quand
la source est animée de la vitesse v, est donnée par la relatian :
où V est la vitesse de la lumière dans le vide; on prendra le signe + si la source s’éloigne de l’observateur, le signe - si elle s’en approche. Comme ici le milieu traversé est très peu différent de celui qui émeu la radiation i~, il faut tenir compte de la courbe de
dispersion anoinale de cette vapeur ; on sait que l’indice varie très
rapidement quand on franchit une bande d’absorption. L’indice de la vapeur a une valeur faible n du côté des petites longueurs d’onde ;
d’où résulte pour le phénomène de Doppler correspondant, du côté
l
-IICIIELSO-N-..1stl-opliysical t. lill (1901), p. 192.
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où l’arc s’approche de l’observateur, la variation de longueur d’onde :
Au contraire, du côté où l’arc s’éloigne, c’est l’autre valeur N (N > f2) de l’indice qu’il faut faire intervenir, et la variation de
lon gueur d’onde est alors :
Le rapport des variations de longueurs d’onde pour les deux sens
du mouvement est donc égal au rapport des indices. Les résultats
numériques obtenus plus haut conduisent à une valeur voisine de 2 pour ce rapport. C’est là un ordre de grandeur auquel on pouvait s’attendre, bien que les véritables valeurs de n et N nous soient
encore inconnues.
Quoi qu’il en soit, le résultat le plus intéressant du présent travail
est l’introdnction de la considération de la clis_pei-sion anornale dans la théorie du phénomène de Doppler. J’ai déjà signalé ce résultat il y a quelque temps (1) ; depuis, on l’a utilisé (2), en l’appliquant, en particulier, aux problèmes que soulève l’étude de l’atmosphère
solaire (3).
(1) DUFOUA, Rendus, t. CLI (1910), p. 190.
B 2) A. COTTON, Congrès international des recherches solaires de 1910.
-Lie
Radiurr2, t. VllI (1911), p. 9.
-Voir aussi DESLANDHES, ComBtes Rend2cs, t. CLII (1911), p. 233.
(3) Observatioîîs de -4. Cotton.
-La dispersion anomale
ne semanifeste pas
Qavec une
égale netteté
auvoisinage de toutes les raies d’un même corps. C’est ainsi que Ladenburg et Loria (BeJ’ichte d. deustch. phys., Gesell. t. X, 1908, p. 858)
ont mis hors de doute
sonexistence
auvoisinage de la raie rouge de l’hydrogène,
mais n’ont pas réussi à la constater (en opérant dans les mêmes conditions) près de la raie bleue. On pourra donc rechercher, si certaines particularités constatées
en
étudiant le soleil et les astres entourés d’une atmosphère, s’expliquent par de tels faits.
11 semble difficile de constater directement les anomalies de la dispersion lorsqu’elles sont concentrées dans
unintervalle spectral aussi étroit que celui
envisagé par Dufour. Mais cette difficulté pourra peut-ètre être levée et l’on
verra
alors si effectivement les indices de la vapeur de
mercureluminescent s’écartent sensiblement de l’unité
auvoisinage des raies du spectre visible du
mercure.
