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Submitted on 1 Jan 1909
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Étude expérimentale des propriétés électro-optiques des liqueurs mixtes
J. Chaudier, Ch. Touren
To cite this version:
J. Chaudier, Ch. Touren. Étude expérimentale des propriétés électro-optiques des liqueurs mixtes. J.
Phys. Theor. Appl., 1909, 8 (1), pp.422-440. �10.1051/jphystap:019090080042201�. �jpa-00241470�
422
Tandis que l’introduction des électrons négatifs dans les théories des phénomènes optiques est appuyée par de nombreux faits expé-
rimentaux relatifs aux rayons cathodiques, il n’en est pas encore , de même pour l’hypothèse de l’existence des électrons positifs. Il
est donc permis de s’étonner du reproche adressé par M. J. Bec-
querel à quelques physiciens, de ( manifester contre cette hypo-
thèse une aversion souvent injustifiée, quelquefois fondée sur d’im- portante-s idées théoriques, mais dans tous les cas ne reposant sur
aucune base expérimentale (~ ) » . A mon avis, la base expérimentale qui
manque vraiment est, tout au contraire, justement celle que M. J.
Becquerel avait cru apporter en faveur des électrons positifs par
ses expériences faites dans les tubes à basse pression. On a évi-
demment le droit d’utiliser cette hypothèse, déjà ancienne d’ailleurs,
de l’existence d’électrons positifs; mais il ne faut pas perdre de vue, que, jusqu’à présent, elle n’est appuyée sur aucune constatation
’
expérimentale directe d’électrons positif libres.
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DES PROPRIÉTÉS ÉLECTRO-OPTIQUES
DES LIQUEURS MIXTES ;
Par M. J. CHAUDIER.
Certains milieux hétérogènes, formés par des liquides renfermant
des particules solides en suspension, produisent des modifications
sur la lumière qui les traverse, lorsque ces milieux sont placés dans
un champ magnétique uniforme normal à la direction des rayons lu- mineux.
M. Majorana (2 ) a découvert en 1902 que diverses solutions colloï- dales d’hydroxyde ferrique, et particulièrement la préparation phar- maceutique connue sous le nom de fer Bravais, présentaient dans
un champ magnétique une biréfrigence souvent accompagnée de
dichroïsme,. M. Schmauss (~) et surtout MM. Cotton et Mouton (~) qui ont étudié ces phénomènes, ont montré que les solutions actives
(1) J. BECQUEREL, le 5, 361 ; (1908).
’
(’) Rendiconti dei Lincei, vol. Xl, 11, semestre 1902, p. 374,463,531, et 2e semestre, p. 90, 139.
(3) si. SeHnauss, D’ude’s Annales, t. XII, 1903, p. 186.
(4) A. COTTON et llouTOV, COînplPS Rendues, t. CXLI, 190::>, p, 317 et34U; Annales de Chimie et de 8, série, t. XI, 190 î, p. 143 et 2~9.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019090080042201
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étaient des solutions colloïdales et que les propriétés magnéto-op- tiques de ces liqueurs étaient dues à une orientation par le champ
des particules ultramicroscopiques en suspension dans ces liqueurs.
Au début de J 903, M. Meslin C) a constaté que les lir¡ue1lrs mixtes
constituées par l’association d’un liquide et de particules cristallines
en suspension, placées dans un champ magnétique ou électrique uniformes, ou même simplement sous l’action de la pesanteur, absor- baient inégalement lès deux composantes de la lumière qui vibrent parallèlement et perpendiculairement au champ.
Les liqueurs mixtes employées par M. Meslin ont présenté de
nombreux cas de dichroïsme, mais pas de biréfringence magnétique;
un seul cas de biréfringence électrique a été observé par ce physicien,
°
avec la liqueur formée par l’hélianthine et le sulfure de carbone.
Je nie suis proposé, dans ces recherches, d’étudier d’abord les pro- priétés optiques des liqueurs mixtes placées dans un champ élec- trique uniforme. En employant des liqueurs à particules cristallines très petites, mais de dimensions finies, j’ai’pu constater que la biré-
fringence électrique était un phénomène général commun à un grand
nombre de liqueurs, et non pas seulement le résultat d’une associa- tion fortuite.
J’ai repris ensuite l’étude, dans un champ magnétique et dans le
’champ de la pesanteur, des liqueurs actives dans le champ électrique,
et, les mesures effectuées dans ces différents cas m’ont permis d’éta-
blir des lois très générales relatives aux liqueurs mixtes soumises à
l’action d’un champ quelconque.
’I. - DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL.
’
a) Préparation des liqueurs. - Afin d’obtenir des liqueurs mixtes
à particules aussi semblables que possible, la substance cristalline ’
préalablement pulvérisée était passée à travers des tamis à mailles de plus en plus étroites; dans les expériences comparatives effectuées
sur des liqueurs dérivant d’un même solide, chaque liqueur était cons-
tituée par l’association d’un même poids de poussière très fine ainsi
obtenue à un même volume de liquide, car le phénomène dépend du
nombre de particules qui est proportionnel à leur poids et du milieu
ambiant qni intervient seulement par le volume qu il occupe.
(lj G. àlEsLix, Coî)îl)tes Rendus, t. CXXXYL t9o3. p. 188, 930, 130u, 143x, 1641, et t. CXXXV1L p. 247.
424
Les liqueurs étudiées étaient contenues dans des cuves en verre
de forme parallélipipédique et d’épaisseur variable ; je n’ai employé
que des cuves ne présentant pas de biréfrigence appréciable.
b) Dispositif électrique. - Dès le début de mes recherches, j’ai
constaté que les champs électriques intenses produisaient une vive agitation des particules, nuisible à la netteté du phénomène et qu’une
assez faible différence de potentiel entre les plateaux était suffisante pour obtenir l’effet maximum, j’ai renoncé à l’emploi des machines
électrostatiques pour me servir de la bobine d’induction d’un ma-
niement plus commode. Les phénomènes observés étaient indépen-
dants du sens du champ, comme l’avaient démontré des expériences préliminaires et n’étaient pas affectés par les renversements alter- natifs du courant primaire. Les bornes du secondaire étaient en com-
munication avec les deux plateaux d’un condensateur orientés para- lèlement à la direction des rayons lumineux ; la cuve en verre, renfermant la liqueur, isolée sur une petite lame d’ébonite fixée à l’extrémité d’une colonne de diélectrine, était disposée entre les pla-
teaux. On faisait varier à volonté la différence de potentiel des plateaux en les réunissant aux deux sphères d’un micromètre à étin- celles, entre lesquelles jaillissait un flux continu d’étincelles.
c) Dispositif optique. - Pour observer avec netteté les apparences du phénomène, il était nécessaire d’employer une source de lumière très intense : j’ai utilisé généralement les rayons solaires sur le
trajet desquels je plaçais un écran en porcelaine dépolie plus ou
moins opaque, de façon à modérer l’éclat de la lumière, si la liqueur
étudiéa était transparente, mais surtout pour détruire la polarisa-
tion apportée par le faisceau lumineux ou provenant de sa réflexion
sur le miroir de l’héliostat.
Observat’ion et mesure du dichroïsme. - J’ai fait usage du polari-
scope à biquartz de Soleil à cause de sa grande sensibilité en lumière blanche. Cet appareil n’est autre qu’un polariscope à lunules d’Arago, dans lequel la plaque de cristal de roche est remplacée par
une lame de quartz à deux rotations dont ranalyseur biréfringent
donne deux images. Lorsque cet analyseur està,-ft5l deladirection du
champ, les deux images du biquartz sont telles que les demi-disques
internes présentent la même coloration et les demi-disques externes présentent la teinte complémentaire. Avec ce polariscope, lorsqu’on
observe le dichroïsme d’une plaque de quartz enfumée dont l’axe fait
un angle de 45° avec l’analyseur, les demi-disques internes sont co-
425
lorés en rose; le quartz étant un cristal à dichroïsme positif, nous
dirons qu’une liqueur mixte est douée de dichroïsme positif si les
deux demi-disques externes du polariscope sont roses, et qu’elle est
douée du dichroïsme négatif si les deux demi-disques externes sont verts.
Cela posé, le dispositif employé dans l’observation du dichroïsme
électrique est le suivant 4) : la lumière solaire S, dirigée hori-
zontalement suivant l’axe du condensateur, est reçue sur l’écran E
en porcelaine dépolie, puis elle traverse une cuve C qui contient la liqueur mixte ; à la sortie de la cuve, elle est examinée au polariscope
P. Le champ électrique est uniforme et normal aux plateaux D et D’,
il est produit par la bobine d’induction B ; la différencie de potentiel
aux bornes, et par suite, entre les plateaux réunis à ces bornes par de gros fils de cuivre, est donnée par un micromètre à étincelles M.
FIG. 1.
Avant d’exciter le champ, on doit d’abord examiner s’il y a pro- duction ou non de dichroïsme sous l’action du champ de la pesanteur
(dichroïsme spontané de M. Meslin) et noter le signe de ce dichroïsme, puis, après agitation de la liqueur, on lance le courant et l’on observe le signe du dichroïsme électrique.
Il arrive quelquefois que les deux dichroïsmes sont affectés du même
signe; ce cas, très rare dans le champ électrique, mais plus fréquent
dans le champ magnétique, est caractérisé par une augmentation
d’intensité des couleurs des lunules du polariscope.
Si la lumière qui traverse la liqueur est polarisée rectilignement,
le plan de polarisation éprouve une rotation analogue à la rotation
bimagnétique découverte par M. lYlajorana, et l’effet du champ élec- trique est maximum, quand la lumière incidente est polarisée à 45°
des lignes de force du champ. Les deux composantes principales sont
alors égales à leur entrée dans la liqueur mixte : la lunule supérieure
J. de Phys., 4e série, t. VIII. (Juin 1909.) 29
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du polariscope présente sur ses deux moitiés une seule teinte, la
teinte sensible, et la lunule inférieure aussi une teinte unifurme
complémentaire de la précédente. Mais, en traversant la liqueur, les
deux composantes subissent d’inégales modifications et les deux moitiés de chaque lunule prennent une teinte différente. Soit un nicol N à monture graduée G disposé avant la cuve C et tracé en pointillé
sur la fi g, 1 ; il polarise la lumière à 45° ; on peut, en tournant une ali- dade mobile devant la graduation et fixée au nicol, annuler l’effet du dichroïsme par une rotation convenable, il suffit de tourner le pola-
riseur jusqu’à ce que les deux images du polariscope reprennent leur coloration uniforme primitive.
Cette apparence indique que les composantes, inégales à l’origine,
mais modifiées par leur passage à travers la liqueur, sont devenues
égales à leur sortie. ,
Désignons le nouvel angle du polariseur avec le cliamp ;
sous l’influence des forces électriques, le plan de rotation a tourné d’un angle w = ± (x - 45). Cet angle, d’ailleurs très petit, est pro- portionnel a la modification subie par les deux composantes princi- pales et sert de mesure au dichroïsme des liqueurs actives.
Observation et mesure de la biréfringence. - La biréf’ringence électrique des liqueurs mixtes est en général très faible ; le procédéle plus simple pour le mettre en évidence consiste à employer la lu-
mière polarisée rectilignement et à analyser le faisceau lumineux
émergent qui est polarisé elliptiquement, si le milieu traversé par la lumière est doué de biréfringence; l’a précision de l a mesure dépend
de la sensibilité de l’analyseur. ,
J’ai employé un polariscope de Bravaig dont la double lame de mica était d’une épaisseur 2 A en lumière monochromatique du so- dium ; les axes des deux lames étaient respectivement parallèle et perpendiculaire à la ligne de séparation placée horizontalement ; vue
à travers un polariseur et un analyseur croisés, une telle lame pré-
sente la teinte sensible d’intensité maxima lorsque la lumière inci-
dente est polarisée à 43°; la teinte sensible observée est celle qui
termine le deuxième ordre des anneaux de Newton, elle est préfé-
rable à la teinte sensible obtenue avec une lame de mica d’une
épaisseur de X jaune qui termine le premier ordre des anneaux, lorsque la liqueur étudiée est un peu opaque.
La lumière incidente était polarisée à 450 par un gros nicol à mon- ture graduée ; après avoir traversé la liqueur, elle était reçue sur le
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polariscope dontles deux moitiés de la double lamp de mica prenaient
une teinte différente si la lumière émergente était polarisée ellipti-
quement.
Cet appareil p p permet de mettre en évidence des retards de 1 300 de
il est en eff’et sensible à un déplacement de quatre divisions du tambour du compensateur décrit plus loin, c’est-à-dire qu’il
décèle des retards de :
Le polariscope de Bravais ne fournit que des indications qualita-
tives sur l’état de polarisation de la lumière; c’est au moyen du com-
pensateur à teintes plates, imaginé aussi par Bravais, que j’ai mesuré
le retard des deux composantes principales. J’ai gradué soigneuse-
mentle compensateur, et j’ai trouvé qu’un déplacement de 13 divisions
de la lame mobile du compensateur introduisait un retard de ~ jaune.
Comme une division du compensateur correspond à un tour complet
du tambour, et comme le tambour est divisé en 100 parties égales,
il serait possille d’apprécier un retard de 1300 f 30Ù mais expérimentale-
ment une telle approximation est illusoire, car le polariscope ne peut
évaluer un retard inférieur à 300.
300
Le dispositif employé pour la mesure de la biréfringence est ana-
logue au dispositif employé pour la mesure du dichroïsrne (fig. 1) .
Il suffit de remplacer le polariscope à biquartz P par le polariscope
à teinte sensible l’’ et d’interposer normalement au faisceau lumineux le compensateur de Bravais T H dessiné en pointillé sur le schéma précédent. Ce compensateur est orienté de façon que son axe soit
parallèle au champ. _
Si la liqueur mixte est biréfringente, c’est-à-dire si les deux com-
posantes principales de la lumière subissent par leur passage à
travers la liqueur des retards inégaux, les demi-lames du polariscope prennent des colorations différentes : la moitié supérieure est rouge
et la moitié inférieure est bleue quand la composante parallèle au champ prend un retard sur la composante perpendiculaire ; par ana-
logie avec les propriétés semblables d’une lame cristalline uniaxe
parallèle à l’axe, nous dirons que la biréfringence est
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biréfringence négative sera caractérisée par une disposition inverse
des couleurs du bilame.
Pour mesurer le retard on déplace la lame mobile du compensa- teur jusqu’à ce qu’on ait ramené l’uniformité des teintes; soit n le
nombre de divisions dont s’est déplacé le tambour, le regard 8 est donné par la relation :
REMARQUE. - La biréfringence comme le dichroïsme ne se pro- duisent pas instantanément ; un certain temps, quelques secondes
avec les champs peu intenses, est nécessaire pour que ces phénomènes apparaissent, progressent et atteignent leur maximum d’intensité.
Si l’on admet que l’action du champ électrique est purement direc- trice, on peut attribuer ce retard au temps employé par les particules
en suspension pour pivoter autour de leur centre de gravité et s’orien-
ter selon les lignes de force du champ. Après la suppression du champ, la disparition du phénomène n’est pas immédiate et suit en sens inverse les phases de l’apparition.
Par ce caractère, ces phénomènes électro-optiques se différencient nettement du phénomène de Kerr qui est instantané ; ils paraissent
aussi différer du phénomène également instantané découvert par M. Majorana; mais, dans ce dernier cas, la différence n’est qu’appa-
rente, car la vitesse d’orientation des particules ultramicrosco-
piques peut être très grande et par suite difficilement appréciable.
11. - DICHROïsME ÉLECTRIQUE.
~1~ Liqueurs actives. - Après avoir étudié un grand nombre de liqueurs mixtes, j’ai reconnu que les liquides à faible constante dié- lectrique (généralement inférieure à 8) étaient seuls susceptibles de
former des groupements actifs; il en résulte que beaucoup de liqueurs
actives dans le champ magnétique sont inactives dans le chanip électrique, par suite de la trop grande conductibilité du constituant
liquide.
Ainsi les alcools, les aldéhydes et les acétones, les acides, les
bases et l’eau ne pourront être utilisés comme constituants des
liqueurs actives dans le champ électrique.
Les liquides actifs sont des composés organiques ; la plupart ne
429 renferment pas d"oxygène et appartiennent à la famille des carbures
d’hydrogène gras ou aromatiques. Ils sont énumérés dans le tableau ci-dessous avec leur constante diélectrique moyenne.
Les solides actifs présentent, sans exception, une structure cristal-
line. Les poudres amorphes et les substances qui cristallisent dans le système cubique, associées aux divers liquides actifs, n’ont jamais présenté de dichroïsme électrique.
Il semble donc que la production du phénomène soit liée à une dissymétrie de la particule solide.
°
Il ne paraît pas d’ailleurs exister de relation directe entre les ca-
ractères chimiques des substances associées et le signe du dichroïsme
électrique. Ainsi on trouve des résultats différents quand on forme
des liqueurs mixtes avec un même liquide (sulfure de carbone) et
des sels dérivés d’un même acide (benzoate de chaux, benzoate d’am-
moniaque), ou des sels renfermant le même métal (carbonate de . potasse, citrate de potasse) ; les liquides isomères (benzène, cinna- mène) associés à un même solide (citrate de potasse) présentent également des dichroïsmes de signe contraire.
Le phénomène semble essentiellement dépendre de la forme et
des dimensions des particules cristallines, de leur indice par rap- port au milieu où elles sont disséminées et, d’une facon générale, de
leur constitution ph ysique.
Parmi les solides actifs, j’ai rejeté ceux qui présentaient le di-
chroïsme à un degré faible, et j’ai seulement retenu les solides
qui formaient plusieurs associations actives à dichroïsme nette-
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ment observable (B 1). Je me bornerai dans cet exposé à citer les subs-
tances les plus importantes, qui forment des liqueurs actives avec
tous les liquides énumérés précédemment.
2° Recherches qualitatives. - Les résultats de ces recherches sont réunies dans le tableau I. La première colonne de ce tableau contient les divers liquides rangés d’après la grandeur de leur indice ; dans
les colonnes suivantes sont inscrites les substances cristallisées actives ainsi que leurs indices principaux ou les limites supérieures et infé-
rieures de leurs indices, limites déterminées par la méthode de Beck, puis les signes du dichroïsme spontané (DS) et du dichroïsme élec-
trique (DE), obtenu en associant chaque solide aux liquides de la première colonne.
De l’examen des résultats expérimentaux inscrits dans ce tableau,
il résulte que le dichroïsme électrique est affecté de signes variables
avec les éléments groupés ensemble, mais aussi que les changements
de signe de ce dichroïsme se produisent toujours dans les mêmes circonstances, lorsque l’indice du milieu ambiant devient égal à un
indice convenable du solide constituant, compris entre les indices extrêmes de ce solide.
Comme le dichroïsme est dû à une inégale modification des composantes principales de la lumière, on est conduit à supposer que le sens de cette modification dépend aussi des valeurs relatives des indices du solide anisotrope, suivant la direction du champ et
suivant la direction perpendiculaire.
Par suite deux liqueurs mixtes, formées par l’association de deux solides S et S’ d’indice ns et n’s’et d’un même liquide pourront présenter des dichroïsmes de sens contraire, quoique les différences n’,-n, et soient de mème signe, si les différences des indices de chacun de ces deux solides suivant la direction du champ et la
direction perpendiculaire ne sont pas de mème signe.
Ainsi, les indices du benzoate de chaux et du benzoate d’ammo-
niaque sont inférieurs à l’indice du sulfure de carbone ; cependant
les deux dichroïsmes présentés par ces deux liqueurs sont de signes
contraires (tableau I) .
L’expérience prouve aussi que le dichroïsme électrique ne dépend
(i) On trouvera une étude plus détaillée et plus complète du dichroïsme et de la biréfringence électriques dans mon travail su» les Propriété." électJ’o-optiques
des ligueuos rnixtes, présenté comme thèse devant la faculté des sciences de Paris
en mai 1908.
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