Mesure absolue de la rotation magnétique de l'eau

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Mesure absolue de la rotation magnétique de l’eau

H. de Mallemann, P. Gabiano, F. Guillaume

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE

RADIUM

MESURE ABSOLUE DE LA ROTATION

_MAGNÉTIQUE

DE L’EAU

Par H. DE

_MALLEMANN,

P. GABIANO et F. GUILLAUME. Institut de

_{Physique, Nancy.}

sommaire. 2014

L’emploi d’un _grand solénoïde (construit pour l’étude magnéto-optique des

gaz) et

l’application d’une méthode différentielle ont permis de réaliser des mesures d’une _{précision supérieure}

au millième. Une nouvelle détermination de la rotation absolue et de la dispersion magnétiques de l’eau _(jugée nécessaire _pour l’étude des solutions _aqueuses), a donné les résultats suivants :

SÉRIE VIII. - TOME V . i~T° 3. MARS ~.9~4~.

1. Résultats antérieurs. - La détermination

des

_pouvoirs

rotatoires ou des « rotalivités »

_{[ 1 ]}

ioniques,

à

_partir

de _{solutions aqueuses} étendues

d’électrolytes, implique

la connaissance très exacte de la rotation

_magnétique

de _{l’eau pure.}

Une incertitude de un _pour 10o sur la valeur du

pouvoir

rotatoire

_spécifique

de l’eau suffirai à

rendre la

_plupart

des calculs illusoires.

Or,

les mesures absolues dont nous

_disposions

ne _{concordent pas} à

moins,

comme le montre le

tableau ci-dessous.

Le nombre

_{généralement}

_adopté

est celui de

Roder

et

Watson;

mais pour ne _pas

risquer

un

faux

_départ,

il était

_{indispensable}

de vérifier la

valeur de cette constante

fondamentale,

en utilisant

toutes les ressources de la

_{polarimétrie}

moderne.

Le

_{dispositif magnéto-optique, particulièrement}

puissant,

installé au laboratoire de

_Nancy

_pour

l’étude des _gaz et _{des vapeurs, devait} nous

per-mettre d’atteindre la

_précision

du millième

_[5].

2.

_Appareil.

- Il _a été décrit d’une manière

détaillée dans le mémoire de Gabiano

_[6];

nous

rappelons

donc seulement sa

_disposition

_générale

et ses

_{caractéristiques.}

c~. Le solénoïde est _{formé par} un ensemble de

six

bobines,

quasiment

accolées,

ayant

chacune

une

longueur

voisine de i m. L’enroulement en fil de cuivre de

_{27/1 oe,}

doublement

isolé,

a une

lon-gueur

dépassant

8 km. Le nombre total de

_spires,

vérifié

_plusieurs

_{fois par}

_comptage

direct

_(opération

relativement

_facile,

vu la _{grosseur du}

_fil),

est 2V ==- 21 T20±J~.

On connaît donc lyT à

_{1/ 5000e près.}

On en déduit la différence de

_potentiel

magné-tique :

1-,e fil

_{pouvant supporter}

5o A, rien

_n’empêche

de réaliser une D. P. ~I.

_dépassant

i million d’unités C. G. S.

_(il

su~’lt de _{faire passer} un faisceau de lumière

_polarisée

dans le creux de la bobine pour observer facilement la rotation

magnétique

de

l’air du

_{laboratoire).}

Pour un courant de 20

A,

l’échauftement des fils

est à

_peine

sensible

_pendant

la durée d’une mesure.

4 2

La résistance totale à froid est voisine de ’20 Q. Le circuit

_comprend

_{généralement}

un rhéostat à

variation

continue,

un

_interrupteur

inverseur et un

ampèremètre

de

_précision.

Pour la mesure

_absolue,

nous avons intercalé un voltamètre à sulfate de

cuivre _pur et un

_{galvanomètre}

en dérivation sur le

solénoïde,

dont le rôle sera

_{expliqué plus}

loin.

Le courant est _{fourni par} une centaine

d’accumu-lateurs à

_grande

surface faisant

_partie

des instal-lations

générales

du laboratoire.

b. Le tube

_{polarimétrique}

en laiton a

_plus

de 6 m

de

_longueur,

un diamètre intérieur de 35 mm et des

parois

de 1 mm

_{d’épaisseur.}

A chacune de ses extrémités sont soudés deux

manchons,

terminés par des anneaux en laiton

(diamètre,

75

mm)

destinés à recevoir les

_glaces

de

fermeture.

Celles-ci,

d’une

_épaisseur

de

4 mm

environ,

ont été

_découpées

dans des

_régions

parti-culièrement

_homogènes

et

_isotropes

relevées sur un

lot

_{de ces}

du commerce.

_{L’expérience}

montre

d’ailleurs e les faibles

_{biréfringences}

acciden-telles _peuve être

_compensées

_{par le} mode de

serrage

(à vis).

On

_parvient

ainsi à réaliser des _extinctions

par-faites

_quand

le tube est vide ou

_rempli

d’un gaz

à

deux,

voire trois

_{atmosphères.}

Pour assurer la constance et l’uniformité de la

température,

un second tube

coaxial,

_également

en

laiton,

forme

chemise,

l’espace

annulaire étant

parcouru par un courant d’eau de vitesse

conve-nable. Le tube extérieur est

_prolongé

et

_élargi

à

chaque

extrémité _{par deux} raccords

_(diamètre,

I 1 o mm;

longueur,

60

_cm)

destinés à entourer les

glaces, qui

se trouvent ainsi dans le fond d’une sorte

d’étuve à la

_température

du tube.

La circulation d’eau est

assurée,

soit _par les

conduites du laboratoire

_{(température}

_ambiante),

soit par une _{pompe Rateau}

_puisant

dans un réservoir de 501 à niveau constant, chauffé par une _rampe

à _gaz

_{(températures}

de 20 à

950).

Deux thermo-mètres donnent les

_{températures}

de l’eau à l’entrée

et à la sortie.

L’écart de

_température

_{n’a pas}

_{dépassé 1° quand}

on

_opérait

sur des _{vapeurs chauffées} aux environs

de

_90°;

il est

_négligeable

aux

_{températures}

du

labo-ratoire,

malgré

l’échauflement

_plus

ou moins

_rapide

des bobines

_(1).

Un manomètre est

_{complètement immergé}

dans

une boîte en

_laiton,

munie d’une

_glace

et _parcourue

par la circulation d’eau.

c. Le

_{dispositi f optique comprend :}

1 ~ Un arc au mercure de

_grande

brillance

_(modèle

Gallois) ;

(i) Cet échauffement peut devenir une circonstance f avo-rable _quand il _s’agit de maintenir le tube à une _température

élevée.

2 Un

_prisme

monochromateur,

type

Pellin-Broca ;

3~ Une série de lentilles et de

_diaphragmes;

4 °

Un

_polariseur

de

Glazebrook;

50 Un

_analyseur

de

_Lippich.

Une

_première

lentille

_achromatique

forme une

image

de l’arc sur un

_diaphragme

de 2 _mm; une

seconde lentille

_achromatique

_donne,

à travers le

prisme,

une série

_{d’images monochromatiques,}

_que la rotation du

_prisme

_permet

de

_projeter

succes-sivement sur un

_diaphragme

de mm. Le faisceau

monochromatique

est

_repris

_par une lentille de i m

de distance

focale,

qui

le transforme en un faisceau presque

parallèle;

celui-ci traverse le

_polariseur,

puis

le

tube,

sans toucher les

_parois;

à la

_sortie,

on obtient une

_image

nette d.u dernier

_diaphragme

(diamètre,

8 mm

_environ),

_{que l’on}

_reçoit

sur les

plages

de

_{l’analyseur.}

3. Mode

_opératoire.

- La cathode _en cuivre

électrolytique

du

_voltamètre

est d’abord

lavée,

séchée et

_pesée.

On _{fait ensuite passer} le _courant, le voltamètre se

trouvant hors

circuit,

et un

premier opérateur

maintient l’intensité constante au _{moyen du}

_rhéostat,

en observant le

_spot

du

_{galvanomètre (en}

dérivation

sur la

_bobine).

La

sensibilité

_correspond

à un

dépla-cement de

1,5

mm sur

_{l’échelle,}

_pour une variation

de 0,01 A.

Pendant ce

_temps,

un second observateur

_note,

toutes les

minutes,

la rotation de

l’eau,

puis

s’étant assuré

_qu’elle

ne

_changeait

_pas d’une manière

appréciable,

il manoeuvre

_{l’interrupteur qui}

met le voltamètre dans le

_circuit,

et déclenche

simulta-nément

_l’aiguille

d’un chronomètre de

_précision.

.

Il continue ensuite à noter les rotations toutes

les minutes. Au bout de 10

minutés 7

secondes,

le

voltamètre est mis hors

circuit,

et les rotations

sont encore observées

_pendant

_quelque

_temps.

Celles-ci étaient de l’ordre de

_55°,

et mesurées à moins de oo,o2

près.

La cathode est alors

retirée, lavée,

séchée et

pesée.

De son

_augmentation

de

_poids,

on déduit la

valeur absolue de l’intensité moyenne.

L’expérience

est recommencée en faisant passer le courant dans l’autre sens.

Dans les deux cas,

_{t’augmentation}

de

poids

a été : pu

1,6025

g.

Calcul de t’intensité.

Piécision des mesui-es. ---- Les

pesées

ayant

été faites avec une erreur absolue de _{0,2 mg, le}

_poids

du cuivre

_déposé

est connu avec une erreur relative

inférieure à

_{1 1400oe.}

facilement

à o~,o~

_près,

donc avec une erreur

rela-tive de

_Ij2500e.

Enfin,

le chronomètre étant

_précis

à 0,1 sec.,

nous admettrons une erreur absolue de 0,2 sec sur’ le

_temps

de _passage du courant : d’où une erreur

relative de o,~ : ôoo, soit

y3oooe

environ.

Nous _pourrons donc certifier l’exactitude de la constante de Verdet de l’eau à

_1/loooe

_près.

~t. Résultats _pour la

_longueur

d’onde

_0~,5/~6.

- Nous

avons

_opéré

sur de l’eau

bidistillée,

intro-duite

_juste

avant les mesures _{pour limiter} autant que

possible

la durée de son

_{séj our}

dans le tube.

On a : o

Nous pouvons donc donner :

Ce nombre conduit aux valeurs suivantes de la rotation

_{spécifique [A],}

et de la rotation

molécu-laire

_[A]Mo

Pour le calcul de la rotativité ..

nous devons chercher dans les tables la valeur de

l’indice de réfraction de l’eau à _{1 1 °,5, pour la lumière} verte ~, =

0~,0~6;

en réduisant le nombre n =

1,331 ~,

indiqué

pour t = 20~, au _moyen du coefficient de

température,

on aurait

d’où en

_radians,

5.

_Dispersion

de l’eau. - La

principale

diffi-culté des mesures relatives est le contrôle de

l’inva-riabilité d’un courant intense.

Au cours de mesures effectuées sur des

_liquides

et des

solutions,

nous avions

_remarqué

que l’indi-cation la

_plus

_sensible,

et surtout la

_plus

fidèle,

était donnée par la rotation

_magnétique

d’un

_liquide

convenablement

choisi,

en

_particulier

le

_{sul f ure}

de

carbone,

dont la Constante de Verdet a une valeur

élevée. Ce fait nous détermina à constituer un

magnétopolarimètre

double,

comprenant

deux bobines

en

_série,

renfermant chacune un tube

_{polarimétrique,}

dont

l’un,

_rempli

du

_liquide

_étalon,

_joue

le rôle

d’ampèremètre

optique.

Avec la

_petite

bobine utilisée dans notre

labo-aratoire,

une variation ~i = o,oo5 A modifiait la

rotation de .1cx = _{z,01, différence} nettement visible

dans

_{l’analyseur}

à

_pénombre.

Les courants

_pouvant

dépasser

20

A,

leurs fluctuations sont ainsi détectées

à

_1/4000e

_près

_(2).

~

,

L’appareil

comprend,

en

somme,

polari-mètres à

_pénombre

dont les

_{lunette analyse}

sont

disposées

côte à

_côte,

de manière â rendre son

emploi possible

par un seul

_{opérateur (les}

_pointés

se font alors alternativement dans

_chaque

analy-seur).

Mais,

_quants

il

_s’agit

d’assurer la

_plus

_grande

précision,

les observations doivent être faites

simultanémeni _par deux

_opérateurs,

tandis

_qu’un

troisième manoeuvre le rhéostat et

_{l’interrupteur.}

Dans le cas

_actuel,

on

_pointait

au

_signal

donné

par l’observateur de la

grande

bobine,

dès que la

constance du courant se trouvait réalisée.

Après

un

_grand

nombre de

_lectures,

les résultats obtenus _pour les deux bobines étaient

_comparés

et les rotations de l’eau ramenées, s’il y avait

lieu,

à une même rotation de

CS2,

donc à une même

valeur du courant.

Trois séries de mesures furent ainsi

faites,

_pour

chaque longueur

d’onde du mercure, en

_permutant

les

_{expérimentateurs (3),}

le CS2 témoin étant

cons-tamment observé en lumière verte.

La rotation de référence

_dépassant

r 5° et s’éva-luant à 0°,01

près

(polarimètre Jobin-Yvon),

la

précision

serait de l’ordre de

_1/1500e,

_mais,

vu le

nombre et la concordance des mesures, nous pou-vons donner les

_dispersions

à -±- _o,ooo5

_près.

Résultais.

’

,

(2 ) La précision devient cncore _{supérieure quand} ori _prend

comme contrôleur d’intensité la _{grande bobine,} mais ce dispositif ne serait pas pratique pour les mesures courantes.

(3) M. Suhner avait bien voulu se _joindre à nous _pour

44

Connaissant la valeur absolue de la Constante

de _{Verdet pour} la raie verte, nous _pouvons f ormer le tableau

suivant,

ramené à la

_température

de ~ a~

(le

coefficient de

_température

de A étant

_quasiment

nul entre 10° et 20°..

_d’après

_Rodger

et

_IVatson).

Nous prenons :

D~oo

=

o,gg82o.

z

Pour comparer le résultat de la mesure absolue à

ceux de nos

_{prédécesseurs,}

il faut calculer la valeur

de A _pour la raie

_jaune

du sodium

_(~,

=

0’~,~8g);

à cet

effet,

il su~’lra de diviser le nombre

correspondant

à la

_{raie jaune}

du mercure

_(i.

=

0:J’,57g)

par le

rapport

inverse des

_),2,

soit

_I,o3g;

la

disper-sion exacte devant être très

_{légèrement supérieure,}

nous _pouvons

_prendre

t,o4.

On obtient ’

1

nombre

_qui

coïncide à moins de

_Ijloooe

_prés

avec

celui de

_Rodger

et Watson :

_{1, 3 1 1 .}

1 o-~.

La

_{question posée}

au début de cet article se

trouve ainsi résolue.

6.

_Dispersion

du sulfure de carbone. - Nous

avons

_profité

de

_l’appareil

monté _pour étudier,

avec la même

_précision,

la

_dispersion

de

CS2;

il suffisait

_d’opérer

comme _pour

_l’eau,

en

interver-tissant

_simplement

le rôle des bobines. Résultais.

BIBLIOGRAPHE.

[1] Voir Ann. de _{Physique, 1942, 17} et 18, p. 1.

[2] Ann. _{Wied., 1885, 24,} 161.

3] Proc. _{Roy. Soc., 1895, 58, 234.}

[4] Versl. , Amsterdam, 1897, 5, 181.