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Submitted on 1 Jan 1903
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Étude du rayonnement de quelques oxydes
Ch. Féry
To cite this version:
Ch. Féry. Étude du rayonnement de quelques oxydes. J. Phys. Theor. Appl., 1903, 2 (1), pp.97-108.
�10.1051/jphystap:01903002009700�. �jpa-00240852�
97
ÉTUDE DU RAYONNEMENT DE QUELQUES OXYDES ;
Par M. Ch. FÉRY (1).
I. L’emploi de certains oxydes, amenés à l’incandescence par des brûleurs appropriés, s’est très généralisé durant ces dernières
années. Les nombreuses expériences qui ont été faites sur ce sujet, en vue d’obtenir des 1nanchons réunissant les qualités requises, ont montré qu’il était le plus souvent nécessaire de faire un mélange de ces oxydes dans des proportions bien déter- minées.
-
A l’un des oxydes employé en grande quantité, et qui joue le
rôle de support, on ajoute un second oxyde en proportion minime (1 à 2 0/0).
Chose curieuse, chacun de ces deux corps ne semble présenter
seul aucune aptitude à produire de la lumière. Dans le mélange le plus généralement employés, l’oxyde support est la thorine à la dose de 98,7 0/0; l’oxyde radiant est la cérite, 1,3 0/0.
Les intensités lumineuses de trois manchons faits respectivement
en cérite et mélange, et fonctionnant sur le même brûler thorine, dépensant 100 litres à l’heure, sont :
Des résultats analogues sont obtenus par le mélange approprié
d’alumine et d’oxyde de chrome, très employé en Angleterre (bec
Sunlight).
,Ce travail a été entrepris dans le but d’expliquer ce singulier phénomène et d’arriver ainsi à faire un essai de théorie des man-
chons incandescents.
II. Bien que la notion de re>idenzent en optique soit lJeaucpup
moins nette que dans la plupart des autres parties de la physique,
on peut prendre, pour l’exprimer, le rapport entre l’énergie rayon- (1) Communication faite à la Société française de physique : Séance du 16 jan- vier 1903, et Résumé d’un i»én>oire plus étendu ayant pour titre -
caloJ’ifique et lumineux de quelques oxydes (Gauthier-Villars), 1902; et An>iales Thèse de doctorat de la Faculté des Sciences de Paris.
? re C/, Thèse de doctorat de la Faculté des Sciences de Paris.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01903002009700
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née par le corps sous forme de chaleur lumineuse (0~,4 à 0~,6) et l’énergie calorifique totale.
Les méthodes du calorimètre à parois de verre et de la pile thermo- électrique, avec et sans interposition de cuve d’eau, réalisent grossiè-
rement la mesure de ces deux énergies.
Malheureusement, la quantité de chaleur qui représente l’énergie
lumineuse du spectre est si faible que sa mesure directe est bien peu précise; d’autre part, l’emploi de l’eau comme écran dans ces
deux méthodes suppose que ce liquide absorbe toutes les radiations
calorifiques.
On pourrait aussi employer un spectromètre; mais cette détermi-
nation ne serait elle-même pas correcte, car où faut-il arrêter le spectre lumineux dont on veut mesurer l’énergie totale? Les diffé- rentes parties de ce spectre impressionnent d’ailleurs très différem- ment l’oeil et les appareils bolométriques.
Il m’a semblé qu’il valait mieux, dans ce cas spécial, déterminer photométriquement l’intensité lumineuse versée par unité de surface de la matière étudiée; je dirai plus loin comment cette mesure a été faite.
III. J’ai divisé mon travail en deux parties principales : dans la première, j’ai déterminé le rayonnement calorifique total des corps suivants en fonction de la température :
1 ° Une enceinte fermée construite au moyen d’un corps noir
réfractaire ;
~~° Le corps noir formant l’enceinte précédente;
3° Le charbon de cornue ;
~° L’oxyde de chrome ;
5° Le platine ;
_6° La chaux ;
.7° La magnésie ;
._
8° L’oxyde de zirconium ;
9° L’oxyde de lanthane ;
~.0° L’oxyde de thorium ;
110 L’oxyde de cérium;
_
12° Le mélange des deux précédents (mélange Auer).
’
Dans la seconde partie, j’ai déterminé le rayonnement lumineux des mêmes matières pour une longueur d’onde unique, choisie au
milieu du spectre lumineux, et représentant sensiblement la loi du rayonnement pour la région étroite du spectre d’émission total pour
laquelle notre oeil est sensible.
’ "99 Il est facile alors d’exprimer, en fonction de la température, le
nombre de carcels par 1;att rayonnés par ces différents corps ;
ce rapport, qui exprime le r ende1nent optique de ces diverses ma- tières, est évidemment proportionnel au rendement, tel qu’il a été
défini
.précédemment, K = W rapport de l’énergie dans la partie
t Pp
lumineuse du spectre à l’énergie totale.
IV. Le chauffage de l’enceinte fermée qui constitue le premier
corps rayonnant que j’ai étudié a été réalisé au moyen d’une spirale
de platine ; ce mode de chauffage très commode a déjà été employé
souvent dans des recherches physiques très délicates (1); il m’a permis d’atteindre facilement la température de 1 ~00°. La matière même du tube sur lequel était enroulé le fil de platine était du corin-
don artificiel aggloméré par des traces de silicate de potasse.
Ce premier tube était placé au centre d’un second tube en terre réfractaire ordinaire, et la partie annulaire était remplie de magné-
sie servant d’isolant calorifique.
La est une coupe demi-grandeur de ce four ; au centre, un
petit bloc de corindon, dans lequel était noyée la soudure d’un couple
Le Châtelier, constituait la surface rayonnante.
Les oxydes ont été chauffés au moyen de la flamme d’un bec
Berzélius, sorte de bec Bunsen dans l’axe duquel on peut lancer un jet d’oxygène et qui permet de réaliser des flammes très diverses.
La nature de la flamme fait varier en effet dans des proportions
(1) Pierre CURIE, J. de Pltys., 3e série, t. IV, p. 197 et 263; 1895;
-Daniel
BERTHELOT, C. Ii., t. CXX, p. 831 ; 1895.
100
énormes, et cela à une même température, le pouvoir émissif de cer-
tains oxydes.
-
Alin d’obtenir une plus grande uniformité de la température, les oxydes, comprimés sous forme de petits cylindres, étaient mis en
rotation au milieu de la flamme par un moteur électrique (flu. 2).
Un trou percé dans l’axe du cylindre d’oxyde livrait passage à un
couple Le Chatelier dont les indications étaient transmises à un
galvanomètre au moyen de balais frottant snr les bagues et b.
FIG. 2.
ltTes2cre du
-Je me suis arrèlé à la pile thermo- électrique comme appareil de mesure pour déterminer le rayonne- ment total ; cependant la forme ancienne, présentant trop de masse,
n’est pas applicable à des mesures galvanométriques ordinaires ;
d’autre part, la grosse section des barreaux employés autrefois réduit
considérablement, par conductibilité calorifique., la différence de tem-
pérature entre les deux soudures.
Après quelques essais, j’ai choisi comme corps thermo-électriques
le fer et le conslantan ; on peut obtenir facilement des fils de ces
métaux ayant Omm ,03, et il est possible, par une attaque à l’acide
azotique très étendu, d’amener le diamètre à ne plus être que de
Om~,003. ~
- ..Le couple unique constituant la pile thermo-électrique qui m’a
servi a été monté avec ces fils de la manière suivante : Les deux fils
sont tendus à angle droit sur deux disques de métal A et B (py. 3),
auxquels on les soude par leurs extrémités. Les deux disques sont
101 alors fixés sur un support isolant a, all moyen des deux bornes b et b’;
pour réunir électriquement les fils du couple, il suffit de glisser entre
eux un petit disque d’argent préalablernent étamé et d’approcher de
ce disque un fil rougi ; la soudure se produit.
Fm.3.
Après un nettoyage à l’alcool qui élimine les produits ayant servi
à effectuer la soudure, on noircit le côté de la plaquette d’argent
soumis au rayonnement.
Afin d’augmenter les déviations galvanométriques, et surtout dans le but de pouvoir effectuer des pointés sur le corps chaud, j’ai en1ployé une lentille de concentration en fluorine, dont j’ai mesuré
le coefficient d’absorption pour quelques températures. Ces mesures,
faites au moyen d’un microradiomètre, ont montré qu’à partir de 900°
l’absorption devient proportionnelle à la quantité de chaleur; elle ne
fait que réduire de 1/10 environ la sensibilité de l’instrument.
Celui-ci prend donc la forme d’une lunette à objectif en fluorine,
dont le réticule est constitué par les deux fils du couple.
L’expérience m’a montré qu’ainsi réalisée la lunette présente le
défaut de donner des indications qui, pour une même température, dépendent des dimensions de la source. Pour remédier à cet incon- vénient, il suffit de disposer devant les fils du couple un écran en
forme de croix, dont les bras c, c, c, c, les masquent en laissant
seule la soudure découverte. C’est en effet à l’échauffement d’une
longueur variable des fils du couple qu’il faut attribuer le fait que je
viens de signaler.
Pour éviter que les mesures ne dépendent de la distance du corps
rayonnant, qui doit être mis au point, on dispose, ci une distance fixe
102
de la soudure, un diaphragme tel qu’il masque déjà légèrement les
bords de l’objectif pour le plus long tirage qu’on doit donner à la lunette.
Mesure clu rayonnement
-Les mesures ont été faites
en lumière monochromatique verte, qui représente bien, d’après
M. Crova, la moyenne des radiations lumineuses (O!J.,4 à qui i
constituent le spectre lumineux.
’
J’aurais pu employer pour ces mesures un spectre-photomètre ;
mais les nombreux milieux interposés entre 1’oeil et la source lumi-
neuse, la présence de la fente étroite du spectroscope, et surtout
l’étalement du spectre affaiblissent tellement l’intensité de la lumière que les mesures ne pourraient commencer qu’à une température très
élevée.
La méthode que j’ai employée est très simple et ne nécessite
aucun appareil coûteux. On mesure, en armant l’oeil d’un écran coloré convenable (’), l’intensité lumineuse d’une lampe à incan-
descence à différents régimes; comme cette lampe n’est jamais
elle reprend très exactement le même éclat pour le même
wattage. Connaissant la surface du filament (2), il est possible de
calculer le nombre de carcels par centimètre carré que rayonne le fil à chaque régime électrique.
Fm. 4.
La lampe étant ainsi étalonnée, si l’on produit dans le plan du fila-
ment l’image réelle du corps rayonnant, il sera facile, en examinant
cette image sur laquelle se découpe le fil, de faire disparaitre ce
(1) Cet écran est obtenu par la superposition de deux verres verts, l’un ordi- naire, l’autre à base d’urane; il laisse passer
unebande très étroite, 0~,~6.
(2) Par
unereproduction photographique et
enprenant des précautions pour
se
mettre à l’abri des phénomènes d’irradiation.
103 dernier en agissant sur le rhéostat de réglage. A ce moment, l’éclat
du charbon de la lampe sera le même que celui du corps chaud pour la longueur d’onde que laisse passer l’écran absorbant placé devant
l’oeil.
La lig. 4 donne le montage de l’expérience ; le corps rayonnant
est ici le petit four électrique décrit précédemment; le rhéostat B est constitué par un petit bac d’accumulateur renfermant de l’eau acidulée sulfurique; l’ajustement photométrique s’obtient très facile-
ment en faisant varier la distance des deux électrodes a et a’. Il est nécessaire de faire subir une petite correction à ces résultats, car les
rayons du corps chaud traversent deux surfaces vitreuses de plus que
ceux qui proviennent de la lampe.
Cette méthode est très sensible et m’a fourni d’excellents résul-
tats ; je me suis servi de variantes de ce dispositif dans plusieurs
autres parties accessoires de ce travail, qui ne peuvent trouver place
ici.
Résultats
-Les mesures en chaleur et en lumière m’ont permis de vérifier, entre 900° et 1 5000, la concordance abso- lue des lois de Stefan et de Wien. La source rayonnante était le four électrique à résistance de platine.
La première loi, R = a (T
-t’~), s’applique au rayonnement calo-
rifique ; elle donne la valeur de ce rayonnement R en fonction des
températures absolues T et t du corps noir rayonnait et de la sou- dure thermo-électrique. Une extrapolation de la loi de Stefan m’a
permis de mesurer la température du cratère positif de l’arc élec-
trique(’); j’ai trouvé ainsi 34901, résultat qui m’a semblé indépen-
dant de la pureté du charbon, les matières étrangères étant volatili-
sées dans la zone plus froide qui entoure ce cratère.
!1-
KJ’ai fait une extrapolation analogue de la loi de Wien, R’
=Ke T ,
@dans laquelle R’ est le rayonnement lumineux pour une longueur
d’onde déterminée, T la température absolue, K et K’ des constantes dépendant de la longueur d’onde choisie et des conditions de l’expé- rience ; e est la base des logarithmes népériens.
J’ai ainsi trouvé, pour l’arc, ~8i0° (a) ; cette divergence doit être
attribuée à ce que le charbon, à cette température, ne fonctionne plus
comme un corps parfaitement noir.
. (1) C. R., 28 avril 1902.
°’-
(2) C. R., 26 mai 1902.
104
Les autres corps noirs étudiés
-charbon, corindon et oxyde de
chrome
-satisfont bien à la loi de Stefan ; cependant, le coefficient a de la formule a été de 8 0/0 environ plus élevé; ceci s’explique par
une erreur systématique sur la mesure de la température. Dans le
cas du four électrique, la température de la surface rayonnante est
bien celle indiquée par le couple ; il n’en est plus de même pour les
oxydes, dont la surface, directement frappée par la flamme, est à une température supérieure de 50° environ à celle du centre mesurée
par le couple. Cette erreur de ~0° sur 15001, soit 3,3 0/0, donne des divergences notables sur le rayonnement calorifique, et encore plus
sur le rayonnement lumineux. Au voisinage de 15001, ce dernier croît sensiblement, pour les corps noirs, comme la 15" puissance de
la température absolue.
Cette remarque montre tout le parti qu’on pourra tirer de ces lois pour la déterlnination de températures inaccessibles par les procédés ordinaires, une erreur sur le rayonnement n’entraînant que des
divergences très faibles du facteur à mesurer.
On peut représenter graphiquement et très simplement les résul-
tats obtenus pour le rayonnement calorifique, en portant en abscisses
les températures absolues et en ordonnées les logarithmes du rayon-
nement. Les corps qui suivent une loi en R .- a T~ donnent évidem-
ment des droites.
,On peut trouver également une représentation de ce genre pour le rayonnement lumineux, si l’on adopte la formule de ’Vien. Il suffit
en effet de porter en abscisses l’inverse de la température absolue
et en ordonnées le logarithme du rayonnement pour retrouver une droite.
Ces modes de représentation graphique ont l’avantage de montrer
immédiatement les points singuliers, s’il s’en trouve, mettant ainsi
en évidence des variations d’état moléculaire des oxydes chauffés.
Tels sont : la magnésie, l’oxyde de thorium, de zirconium. Pour d’autres oxydes, au contraire, on a affaire à des courbes présentant quelquefois des points d’inflexion, qui montrent que les formules
précédentes sont impuissantes à représenter le phénomène.
Mais je veux attirer plus particulièrement l’attention sur l’influence considérable exercée par la nature de la flamme sur la grandeur du rayonnement. A une même température, le rayonnement de certains
oxydes variera du simple au double, suivant le réglage du chalumeau.
A la même température de 1200°, par exemple, on trouvera avec
105
l’oxyde de thorium et celui de cérium les résultats suivants pour le
rayonnement calorinque :
Des résultats du même genre sont observables en lumière, bien qu’étant quelquefois en sens contraire des précédents. Ainsi,
à 1000% l’oxyde de cérium rayonne en flamme oxydante 0,0105 car- cel par centimètre carré et en flamme réductrice 0,003 seulement.
De même le mélange Auer à ~.300° rayonne en chaleur :
En lumière, et à la même température, on trouve :
Le rapport entre les rayonnements lumineux et calorifique de chaque oxyde à uine même température donne le rendement optique
à la température considérée; il met en évidence le choix heureux du mélange d’oxydes servant à la fabrication des manchons indus- triels.
,