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Potentiel d’une lentille électronique électrostatique.
Comparaison des résultats du calcul numérique et des
mesures faitesà la cuve rhéographique
M. Laudet, P. Pilod
To cite this version:
POTENTIEL D’UNE LENTILLE
ÉLECTRONIQUE ÉLECTROSTATIQUE.
COMPARAISON DESRÉSULTATS
DU CALCULNUMÉRIQUE
ET DES MESURESFAITES A LA CUVE
RHÉOGRAPHIQUE
Par M. LAUDET et P. PILOD,
Faculté des Sciences de Toulouse
(Physique théorique et Laboratoire d’Optique électronique).
Sommaire. 2014 Les auteurs ont étudié la
répartition du potentiel dans une lentille électronique
électro-statique de révolution par la méthode numérique de relaxation, et à la cuve rhéographique.
Compa-raison des résultats. Possibilités des deux méthodes au point de vue précision et commodité d’emploi.
JOURNAL PHYSIQUE TOME
14,
1953,
L’étude de la
répartition
dupotentiel
dans unchamp
électrique
peut
être abordée soit par uneméthode de calcul
numérique,
soit par une méthodeexpérimentale d’analogie,
cuverhéographique
ouréseau de résistances.
Nous nous proposons, dans cet
article,
d’étudierun même
problème
successivement par une méthodede calcul
numérique
et à la cuverhéographique,
etde confronter les deux méthodes sous le double
rapport
de laprécision
et de la facilité de mise enoeuvre..
Au cours de ce
travail,
nous n’avons pas cherchéà
obtenir
de ces deux méthodes leurprécision
maxima;
mais nous avons voulu rester dans leur domaine d’utilisation commode etrapide.
Le
problème
choisi est l’étude de larépartition
du
potentiel
dans une lentilleélectronique
élec-trostatique
symétrique
à trois électrodesplanes,
A,
B,
C( fig.
i).
Lesdiaphragmes
des trois électrodessont
égaux
àd,
et la distanceD,
séparant
les élec-trodes estégale
à 2 d. A et C sontportés
au mêmepotentiel
V =o, ét , le
diaphragme
central àV = 1000.
Cette lentille a
déjà
été étudiéepar
différentsauteurs.
Cependant,
à notreconnaissance,
la méthode de relaxation n’a pas été utiliséejusqu’ici
pour la résolution de ceproblème.
Le calcul
numérique
a été exécuté par M. Laudet et les relevésexpérimentaux
par M. Pilod.1. Calcul
numérique
dupotentiel.
- Nousavons fait
appel
à la méthode derelaxation,
appli-cable
quelle
que soit laconfiguration
dusystème.
La considération d’électrodesépaisses,
loin decompliquer
leproblème,
conduirait à des calculsplus rapides
par suite de valeurs moinsgrandes
desgradients
à leurvoisinage immédiat.
Cette méthode très
générale
consiste à calculeraux différents noeuds d’un réseau convenablement
.choisi les valeurs d’une fonction satisfaisant à une
équation
aux dérivéespartielles,
après
avoirremplacé
cette dernière par uneéquation
aux différences finies. Elleexige
la connaissance de la fonction sur leslimites du domaine étudié. Elle ne
paraît
pas avoirété
beaucoup
utilisée pour l’étude dessystèmes
non
bornés,
comme c’est le cas dansl’exemple
étudié
(1).
10
Rappel
desformules
utilisées. - Lafonction-potentiel
V(p,
z)
relative à unsystème
derévo-lution d’axe Oz satisfait à
l’équation
deLaplace
A V = o
qui
s’écrit,
en coordonnéescylindriques :
Traçons
dans unplan
méridien unquadrillage
(1) Voir toutefois M. LAUDET, .1.. Physique Rad., 1952,
13,
549-553. ,324
régulier
decôté a,
etdésignons
parVo,
Vl,
...le
potentiel
aux noeuds d’indice o, i, ... du réseauconsidéré
(fig. 2).
Ces valeurs vérifient l’une oul’autre des deux
équations
aux différences finiesPour les
points
de l’axe les deux formulespré-cédentes ne sont pas valables. Elles doivent être
remplacées
par les suivantes :La connaissance de V sur les limites du domaine
étudié et
l’application
des formulesprécédentes
permettent
de déterminer la valeur de V enchaque
noeud du réseau considéré. Pour les
principes
concer-nant
l’application
de cette méthode nous renvoyonsle lecteur à l’article de R.
Weller,
G.Shôrtley
etB.
Fried,
J.appl. Phys., 1 g4o,
1 l,
283.20 Etude des conditions aux limite. - La
déter-mination du
potentiel
dans le cas d’une lentille dont les électrodes seraientthéoriquement
indé-finies nepeut
pas en touterigueur
être traitée par la méthode derelaxation,
qui exige
la connaissance dupotentiel
sur les limites du domaine étudié.Cependant
onpeut
pratiquement
se ramener au cas dessystèmes
bornés. Dansl’exemple
étudié on a admis que lepotentiel
décroissait linéairement entre les électrodes à une distance suffisante del’axe et
qu’il
était nul àgrande
distance à l’extérieur de lalentille,
depart
et d’autre des électrodes A et C.On a vérifié a
postériori
que ceshypothèses
étaientlégitimes
en constatant que les résultats satisfaisaient aux conditionsprécédentes
bien avant d’atteindre les limites considérées.30 Résultats. - La
symétrie
de la lentille nous apermis
de nous limiter auquart
du domaineprécédemment envisagé.
Les résultats des calculs sont
représentés
sur le tableau I.TABLEAU I.
Nous avons
indiqué
les valeurs relatives aux deux réseaux successivement utilisés.On
peut
améliorer ces résultats sans faireappel
à un
quadrillage plus
fin enextrapolant
linéaire-ment les valeurs obtenues avec ces deux réseaux
(2).
(2) Cette extrapolation concernant des quadrillages grossiers
ne doit pas être confondue avec celle qui a été donnée par Richardson (Math. Gazette, 1925,12, 415) qui ne s’applique
Nous donnons sur le tableau II la
répartition
déterminée par cette méthode.
La
figure
3représente
la variation dupotentiel
sur l’axe de la lentille.
qu’aux systèmes plans. Dans le cas des systèmes de révolution
l’équation dV = o contient la dérivée première et l’ « indice »
du processus d’extrapolation, au lieu d’être égal à 2, devient
325
TABLEAU II.
Comparaison
des résultats du calculnumérique
et des mesuresfaites à
la cuverhéographique.
(Les
valeursindiquées
entreparenthèses
ont été relevées à la cuverhéographique.
Les autres valeurs ont étéobtenues
par le calcul, après
l’extrapolation indiquée
dans letexte.)
Nous aurions pu améliorer considérablement la
précision
enutilisant
desquadrillages
deplus
enplus petits
et enextrapolant
les valeurscorres-pondantes
aux réseaux successivement utilisés.Nous avons
préféré
nous limiter à uneprécision
du même ordre que celle obtenue à la cuve
rhéo-graphique
et conserver ainsi à la méthode sarapi-dité.
2.
Étude
expérimentale.
- L’étudeexpéri-mentale a été réalisée à l’aide d’une
installation
d’analogie rhéographique
dont ladescription
détailléene saurait trouver
place
dans le cadre de cet article. Nous renvoyons le lecteur à unepublication
ulté-rieure d’un des auteurs. Nous croyons
utiles,
cepen-dant,
lesquelques
renseignements
qui
suivent. Lebassin,
du-type profond,
àparois
isolantes,
mesure i X 2 m;
profondeur,
0,75
m.L’électrolyte
utilisé est de l’eau de la ville. Les
maquettes
sontréalisées en laiton.
Pour la
partie électrique,
ona
faitappel
aumontage
classique
dezéro,
avecemploi
del’oscillo-graphe cathodique
comme indicateurd’équilibre,
et correction des effets de
polarisation
parpont
decapacités.
Les électrodes sont alimentées encourant alternatif 50ô
Hz,
sous une tension de 5 V. La sensibilité dumontage
électrique
permet
d’apprécier
unedifférence
depotentiel’ égale
à1 jso
oooede
la tensionappliquée
auxélectrodes,
etla fidélité est meilleure que
1 /10 oooe
decette
tension.Mais,
lepotentiomètre
de référence nepermettant
pas de définir les
potentiels
à mieux que1 /1 oooe
près
de la tensionappliquée
auxélectrodes,
c’estdonc à cette dernière valeur
qu’il
convient de limiter laprécision
des mesuresélectriques.
326
de millimètre de diamètre. Les
repérages
sonteffec-tués à l’aide d’une méthode
optique;
unepetite
lanterne de
projection
ayant
pour axeoptique
ladroite verticale contenant la
pointe exploratrice,
forme sur la feuille depapier,
portée
par uneglace
parallèle
auplan
d’eau,
l’image
d’un réticule.La fidélité de ce
système
derepérage
etl’usinage
trèssoigné
dessystèmes
de rails etchariots,
conduisent à une
précision
trèssupérieure
à celleque
permet
lereport
manuel au crayon de laposition
du réticule.
, Maquette.
- Pour résoudre leproblème
étudié dans cetarticle,
nous avons réalisé unemaquette
avecreprésentation
des conditions aux limites.Les formes et les dimensions du
modèle,
ainsi que la difficulté de faireappel
à undispositif
mécanique
pour assurer la
rigidité
de lapartie immergée,
nousont interdit d’obtenir une erreur relative sur les
dimensions inférieure à
5/10 000e.
Les
diaphragmes
ont un diamètre de 800 mm,et une
épaisseur
de i mm. Le diamètre des orifices est de 100 mm. L’ensemble de lamaquette
estreprésenté
sur lafigure
4.
On remarquera que les conditions aux limites ont été réalisées en entourantle modèle d’un berceau
cylindrique;
celui-ci estisolant entre les
plaques
extérieures A etB,
etconducteur à l’extérieur de cet intervalle. On
peut
fermer le berceau aux deux bouts par desplaques
métalliques
dont laposition
estréglable
lelong
de l’axe.La
rigidité
est assurée par un cadre et deséquerres,
situés immédiatement au-dessus duplan
d’eau,
etpar
des
tiges
d’écartement pour lapartie immergée.
Leserreurs
sur les cotesatteignent
I mm surl’écar-tement des
plaques
eto,5
mm sur lecentrage
desdiaphragmes
parrapport
à l’axe. Conduite du travail. - Les extrémitésmétalliques
duberceau,
ainsi que lesplaques qui
leferment,
sontélectriquement
reliées auxdiaphragmes
exté;
rieurs de la lentille et à une des bornes du
générateur
d’alimentation; .
l’autre borne dugénérateur
estconnectée au
diaphragme
central,
isolé. Lesplaques
fermant le berceau ont été
placées
à 35o mm desdiaphragmes
extérieurs.Après
mise enplace
de lamaquette
et contrôle de ses cotes au sein de la cuve, nous avonsprocédé
aux mesures sur unquart
seulement de la sectionméridienne,
délimité par l’axe et la trace dudia-phragme
central.Nous avons d’abord exécuté un relevé de surfaces
équipotentielles
de 5 en 5 pour 10o dupotentiel
total,
ainsi que le relevé des surfaceséquipotentielles
passant
par lepoint singulier
et par le centre dudiaphragme
extérieur.Après
avoirétabli,
à l’aide dessymétries,
à
partir
depoints expérimentaux,
la trace dudia-phragme
central et laposition
del’axe,
nous avonsdessiné le réseau utilisé pour le
calcul,
et relevé lepotentiel
àchaque
noeud du réseau(tableau
II).
L’exécution de cetravail,
lacomparaison
des résultatsexpérimentaux
avec ceux ducalcul,
nous ont conduit à une étudesoignée
des conditionsexpérimentales
à réaliserpour
obtenir des mesurescorrectes. Nous attirons l’attention sur les
points
suivants.
Les
phénomènes
decapillarité
entraînent deserreurs au
voisinage
desélectrodes;
nous avonsévité toute mesure à moins de I o mm des électrodes. Le
réglage
du niveau de l’eau une fois effectué(à
o,25
mmprès environ),
il convient d’évitertoute
variation de ceniveau;
l’usage
dutrop’ plein
estpeu
sûr,
en raison desphénomènes
de tensionsuperficielle :
l’incertitude atteinto,5
mm. Nous avonspréféré
avoir recours auphénomène
suivant :
plaçons
la sonde dans unerégion
de forte courbure des surfaceséquipotentielles,
le centre de l’un desdiaphragmes
parexemple,
etéquilibrons
lemontage
électrique.
Une variation de niveau obtenue par addition ou soustraction d’un volume connud’eau,
provoque une
rupture
del’équilibre
dupont;
pourrétablir cet
équilibre,
il fautagir
sur lepotentio-mètre de référence. Nous avons constaté
qu’une
variation de la hauteur d’eau de 1 mmcorres-pondait
à une variation de la valeur d’une des branches dupotentiomètre
de 20 03A9. Lemontage
électrique
étant sensible à une variation deI!2,
c’est environ à
II20e
de millimètreprès
que l’onpeut
espérer régler
le niveau en usant de cet artifice. Les causes d’erreur au cours des mesures serangent
en deuxcatégories,
selonqu’elles
sontd’origine
électrique
oumécanique.
Nous les avonsévaluées en fractions de la tension V =
V100
-Vo
appliquée
aux électrodes. Le choix de cette uniténe pose aucun
problème
quant
aux erreursd’origine
électrique;
pour celles dontl’origine
estmécanique,
nous avons
opéré
la conversion ensupposant
lechamp
uniforme et orienté suivant Oz entre deuxdiaphragmes.
Il nes’agit
là que d’uneapproximation
grossière,
mais conduisant certainement à uneL’erreur due au
montage électrique
estégale
àLe relevé
graphique
conduit àÉvaluée
de la mêmemanière,
l’erreur sur les cotes de lamaquette
seraEnfin,
enprocédant
àplusieurs
mises enplace
successives de la sonde sur un même
noeud,
dansune
région
degradient
maximum dupotentiel,
nous avons relevé directement une erreur 03B54 =
v .
600l’erreur absolue sur les mesures sera de l’ordre
de -v
100
Cette étude montre la nécessité d’une
analyse
détaillée des causes d’erreurs pour obtenir une vue exacte de laprécision
que l’onpeut
obtenir d’unecuve
rhéographique.
Étude
del’influence
d’unemodification
des condi-tions aux Itmites. - La distance 1 desplaques
fer-mant le berceau auxdiaphragmes
extérieursétait,
au cours de l’étudeprécédente,
de 35 cm. Nous lui avons donné successivement les valeurs 20,10et 7
cm, et relevé danschaque
cas lepotentiel’aux
noeuds
(1, 17),
(1,1),
(1,21).
Les résultats sontreportés
dans le tableau I I I.
TABLEAU III.
L’erreur sur les cotes de la
maquette
n’intervient pas sur les variations despotentiels
relevés. C’estV
donc
à v
près
qu’il
faut lire les résultat-s On200
constate que la seule variation
appréciable
est surle noeud
(1,21)
et seulement pour des valeurs de 1 inférieures à 10 cm.Enfin la
suppression complète
du berceau causedans la carte du
potentiel
desperturbations
trèsimportantes.
Lafigure
5 areprésente
les courbeséquipotentielles
enprésence
du berceau et lafigure 5 b lorsque
celui-ci estenlevé,
pour la cuveque nous utilisons et dont les dimensions et la
nature ont été
précisées
plus
haut.Ce résultat montre
l’importance
de lamatéria-lisation des conditions aux limites dans une cuve
rhéographique.
Laperturbation apportée
parl’ab-sence ’d’une
représentation
de ces conditions estminima au
point singulier
dudiaphragme
central(potentiel
84,1
1 et84,6
selon lecas).
a. Avec représentation des conditions aux limites.
b. Sans représentation des conditions aux limites.
Fig. 5. - Relevés
d’équipotentielles.
3.
Comparaison
des
résultats du calcul ét desmesures à la cuve
rhéographique.
--- Les résultatsobtenus à
partir
des méthodes de calcul etd’analogie
rhéographique
sontconcordants, compte
tenu de laprécision respective
de ces méthodes.Nous aurions pu
augmenter
laprécision
ducalcul
de relaxation en usant d’unquadrillage
plus
finet de
l’interpolation,
mais cesartifices,
qui
aug-mentent la duréed’exécution,
sortaient du cadre duprésent
travail.Une remarque
analogue
’pourrait
être faite ausujét
de la cuve; il estpossible
de réaliser desmaquettes
beaucoup
plus
soignées
que lesnôtres,
328
Conclusion. -- Si nous considérons les deux
méthodes
employées
sousl’angle
de leur utilisationpratique
usuelle,
nous constatons que, pour des résultatscomparables
enprécision,
le calculprésente
une réelle
supériorité
derapidité
et de facilité demise en oeuvre.
Par
contre,
si l’on désire une carte détaillée dupotentiel,
la cuve sera le moyen leplus simple
de l’obtenir.Nous avons
également
pucontrôler,
au cours dece
travail,
la nécessité dereprésenter,
au sein de la cuve, les conditions auxlimites,
pour atteindre uneprécision comparable
à celle du calcul.Manuscrit reçu le 19 janvier 1953.
REVUE DES LIVRES
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME
14,
MAI1953,
PAGE 328.DEFA y (R.) et PRiGOGiNE (J.), Tension superficielle et
adsorption ( 1 vol. 16 X 24cm, xx + 295 pages, Dunod,
Paris, 1952). .
Les auteurs ont consacré cet Ouvrage à l’étude
thermo-dynamique de la tension superficielle et de l’adsorption (prin-cipalement l’adsorption sur les surfaces fluides).
Les systèmes étudiés sont en équilibre mécanique et
thermique, mais l’équilibre chimique et l’équilibre d’adsorption peuvent ne pas être établis. Les auteurs qualifient cet état d’« « état partiel d’équilibre ».
Dans le chapitre 1 sont traitées les « notions de capillarité ».
Le chapitre II est consacré à la définition de l’adsorption, de l’énergie et l’entropie superficielles; les chapitres III et IV à l’introduction des premier et second principes de la
Thermodynamique.
L’emploi, dans les formules fondamentales, des variables
intensives est introduit au chapitre V.
L’ensemble des formules générales relatives au «
modèle-surface » sont ainsi données au cours de ces cinq premiers chapitres. (Le « modèle-surface » est un modèle simplifié où tout le phénomène de l’adsorption se trouve rapporté à une
surface fictive unique alors que
les
phases en présence sontsupposées homogènes jusqu’au contact avec cette surface.)
. L’étude particulière des états d’équilibre est ensuite effectuée
(chapitres VI à XVI) : variance d’un système capillaire; les extréma de tension superficielle; tension superficielle des liquides purs et de films insolubles, etc.; tension super-ficielle d’une face cristalline.
Dans les chapitres XI et XII les auteurs ont précisé le lien entre la tension superficielle et la structure moléculaire. Le dernier chapitre est consacré à la thermodynamique des couches minces.
Une partie importante de cet Ouvrage reflète les propres recherches des auteurs et plusieurs résultats y sont publiés
pour la première fois. Ce livre aidera tous ceux qui s’inté-ressent à la thermodynamique des phénomènes capillaires.
M. BADOZ. PRANDLT (L.), Guide à travers la Mécanique des fluides
( vol. 24 X 16 cm, xv + 448 pages, Dunod, Paris, 1952, 480 f).
Cet Ouvrage est la traduction de la troisième édition allemande à l’étude du Professeur Prandlt sur la Mécanique des fluides.
La première partie de l’Ouvrage est consacrée aux pro-priétés générales des fluides : statique, cinématique, dyna-mique du fluide parfait sans frottement, mouvement des fluides visqueux. Il étudie ensuite les écoulements gazeux, à changement de volume important : cas des vitesses d’écou-lement élevées, corps se déplaçant à grande vitesse dans
les gaz, grandes accélérations dans une masse de gaz au repos ou en écoulement.
Dans la deuxième partie il traite de questions un peu en dehors des limites habituelles de la Dynamique des fluides,
spécialement la cavitation, le transport pneumatique, la transmission de chaleur.
Le livre est d’une exposition claire et très « physique »
l’auteur a évité de surcharger l’exposé de développements
mathématiques qu’il met en notes ou en compléments.
De plus pour chaque sujet, l’auteur renvoie à une
biblio-graphie très fournie et très complète.
C’est un livre de grand intérêt pour l’ingénieur en
Méca-nique des fluides et sa présentation robuste, à reliure solide,
est d’un maniement agréable. Mme PAUTHIER. ROULLEAU (J.) et TROCHON (R.), Météorologie générale.
TOME I. Structure- verticale de l’atmosphère. L’atmosphère
et les phénomènes de rayonnement (i vol. 25 X 6 cm,
r 5o pages, fi 6 figures, Gauthier-Villars, Paris, 1952, o0o f). Depuis le classique traité d’Angot, l’éditeur n’avait pas
publié de traité de Météorologie générale. Or, le
dévelop-pement de la navigation aérienne a donné une considérable
impulsion à la météorologie. Aussi, le besoin d’un Ouvrage
au courant de l’apport qui en est résulté se faisait-il sentir. Il faut être reconnaissant à MM. Roulleau et Trochon, de la Météorologie Nationale, de s’être chargés de la rédaction.
Dans le premier tome, il est question d’abord de la structure verticale de l’atmosphère. Or, la technique des radiosondages
a, pendant les vingt dernières années, permis d’enrichir considérablement nos connaissances. Aussi, qu’il s’agisse de
pression ou de température, on trouve dans l’Ouvrage des données numériques très ,complètes, exprimées sous une
forme commode, mettant en évidence les principaux
phéno-mènes clairement dégagés de l’observation.
La seconde partie traite des phénomènes de rayonnement.
Qu’il s’agisse de rayonnement solaire, terrestre, ou
atmo-sphérique, les auteurs ont su apporter les résultats d’études récentes et nombreuses en ne conservant que leur «
substan-tifique moelle ». Enfin, un dernier chapitre est consacré à
l’étude des relations entre le rayonnement effectif et la
tempé-rature. Il prépare, en quelque sorte, les tomes suivants.
Rédigé en langage clair et agréable, dépouillé de tout
pédantisme, il expose, sous une forme simple et
compréhen-sible, des questions parfois complexes. On y sent l’armature,
qui s’est affermie et rodée au cours de l’enseignement donné à des générations de météorologistes et sur laquelle sont
venus se grefier peu à peu les apports d’une science en évolu-tion rapide.
Une bibliographie abondante, mais choisie, fait que
l’Ouvrage peut constituer un outil de recherche. Les