HAL Id: jpa-00241973
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Submitted on 1 Jan 1916
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Les travaux du Bureau National des Etalons de Washington
G. Roy
To cite this version:
G. Roy. Les travaux du Bureau National des Etalons de Washington. J. Phys. Theor. Appl., 1916, 6 (1), pp.273-290. �10.1051/jphystap:019160060027301�. �jpa-00241973�
273 sulfure de carbone contenu dans une molécule gramme du mélange
des deux liquides.
On trouvera tous les résultats de mes mesures et les graphiques qui les résument, ainsi que leur interprétation thermodynamique,
dans les Annales due Physique pour 1916.
LES TRAVAUX DU BUREAU NATIONAL DES ÉTALONS DE WASHINGTON (1);
Par M. G. ROY.
Redresseurs et détecteurs de courants. - La question du redres-
sement des courants, qui touche de près à celle des détecteurs, a été
étudiée sur les appareils à gaz conducteurs; on a cherché les condi- tions de forme, de dimension et de nature des électrodes et de densité des gaz qui favorisent le passage du courant dans un seul sens. Ces conditions peuvent être également réalisées avec des liquides con- ducteurs, même sans employer des métaux différents : ainsi une
différence de dimension entre deux électrodes de cuivre dans une
solution de sulfate de cuivre suffit pour en faire un redresseur de cou-
rants faibles.
°
L’étude des contacts redresseurs (silice-acier, charbon-acier, tellure- aluminium) pour de ,faibles courants alternatifs n’a pas conduit à
une explication parfaite du phénomène. On a reconnu cependant, qu’en général, le sens du courant redressé est en opposition avec le
courant thermo-électrique produit par I’échauffement du contact.
On a déterminé la sensibilité des détecteurs usuels par deux méthodes : 1° par variation du couplage entre l’excitateur et le
récepteur jusqu’à ce que le signal soit entendu dans un téléphone ;
2° par l’emploi d’un shunt sur le téléphone modifié jusqu’à ce qu’on
obtienne le silence. Ces détecteurs se rangent dans l’ordre suivant
d’après leur sensibilité décroissante : Audion, détecteur électroly- tique, périkon (calchopyrite-zincite), détecteur magnétique à bande
de Marconi, périkon sans force électromotrice auxiliaire, détecteur à
vide de Fleeming). _.
, Télégraphie sans fil. - Pour obtenir des ondes constantes et faci- lement amorties nécessaires aux mesures, on a monté sur une bobine
(1) Voir ce recueil, page 192.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019160060027301
274
transformatrice, un interrupteur vibrant sou-s l’influence d’un électrc- aimant et plongeant dans le mercure.
On a pu mesurer l’énergie reçue au moyen. d’un galvanomètre en
série avec un détecteur à périkon, placé dans un circuit couplé sur l’antenne ; on obtient ainsi une plus grande sensibilité que par l’em-
ploi d’un couple thermo-électrique; mais ce galvanomètre doit être gradué au préalable avec un couple et on calcule l’intensité en admet- tant que les déviations sont proportionnelles au carré de celles-ci. On
a reconnu ainsi que pour une station expéditrice de 10 kilowatts, employant des longueurs d’onde de 1.000 mètres à 300 milles de distance dont les deux tiers sur mer, l’énergie reçue attei- gnait 36,5 10-8 watts, le rapport de l’énergie reçue à l’énergie envoyée, qui était 2,8 iO3 watts, était donc 1.30. 10-1°.
Avec un parcours en entier sur terre, dans des conditions à peu
près analogues, l’énergie reçue à 185 milles, n’était que 31.5 10-8 watts.
A 6 milles de distance, avec 2 kilowatts et une longueur d’onde de
900 mètres, au--dessus de la ville de Washington, le rapport de l’énergie reçue à l’énergie envoyée est relativement faible: 4,9 10-s,
ce qui s’expliquerait par le passage des ondes au-dessus de la ville.
Le courant dans une antenne réceptrice de 25 ohms pendant le jour serait représenté par la formule :
ou In est le courant dans l’antenne réceptrice, 1, le courant expédi-
teur, h4 et h2 les hauteurs des antennes expéditrices et réceptrices en mètres, d la distance des deux stations en kilomètres 2 un coefficient
d’absorption (0,0015) et h la longueur d’onde en mètres.
Télégraphie et téléphonie. - L’étude mathématique des conditions de passage d’un courant variable d’un conducteur à un autre, dont les constantes électriques sont différentes, a permis de calculer les constantes des ondes réfléchies et transmises.
En particulier, si on passe d’une ligne de faible inductance et de forte capacité à une ligne (ou un récepteur) présentant des caractères inverses, le rapport
AAj 3
de l’amplitude et par suite du potentiel de275 l’onde transmise à celle de l’onde incidente est donné par la for- mule :
-
il peut atteindre 1,9 c’est-à-dire que la différence de potentiel peut
presque doubler (L1’ Cj, L ~, C2 se rapportent respectivement aux
circuits en connexion).
Si A2 est l’amplitude de l’onde réfléchie :
’ Arc chantant. - On a mis en évidence dans les courants à haute
fréquence produits par un arc chantant trois fréquences correspon- dant aux trois premiers harmoniques, on obtient donc des ondes non
sinusoïdales et même dissymétriques. La fréquence croît avec l’in-
tensité du courant, lorsqu’on diminue la longueur de l’arc, la pré-
sence d’une résistance un peu importante en sliunt supprime les
oscillations. Un arc formé sous une pression de six atmosphères
entre électrodes de mercure et de cuivre, avec une intensité de 0,2 ampères, sous 4.500 volts présente tout à fait les caractéristiques
d’une très rapide étincelle de décharge et supporte facilement des shunts un peu élevés.
Décharge dans les tubes à vide. - L’étude des spectres de mé-
langes gazeux conduit à la loi suivante: dans le spectre d’un mélange
de gaz, toutes choses égales d’autre part, le spectre du gaz, dont le poids atomique est le plus élevé, est le plus brillant. Il en résulte
qu’il faut éviter la présence de métaux lourds pour obtenir des
spectres purs.
’
La formation des spectres secondaires, en utilisant les capacités ..
-en parallèle avec les tubes de Plücker, sauf pour H et He est d’au- tant plus nette que les éléments donnent des acides plus forts. On a
pu déterminer les conditions à remplir pour obtenir un spectre de
276
gaz sans lignes parasites provenant des électrodes ou inversement le
spectre d’un métal, aussi dénué que possible des lignes du gaz qui
l’environne. Les conditions qui favorisent la formation d’un spectre
. de gaz pur sont : petite densité de courant aux électrodes, élec-
trodes d’Al, Cu ou Pt, disposées à une distance assez grande et em- ploi de la région médiane de la décharge.
Pour obtenir le spectre pur du métal des électrodes, il faut au
contraire admettre une forte densité de courant et rapprocher les
électrodes. L’oxygène serait alors le gaz le plus favorable à cause de
la grande valeur de la chute cathodique et anodique de ce gaz.
L’intensité de la lumière émise par les tubes à vide et en parti-
culier par les tubes à Helium, a été discutée dans ses relations avec
le courant, le gradient du potentiel, la pression, le diamètre du
tube, la fréquence, l’âge. Ce tube serait susceptible d’être employé
comme étalon photométrique primaire, car dans des conditions
qu’on peut reproduire à coup sûr, la relation entre l’intensité du courant et la lumière émise est déterminée.
La pureté des lignes spectrales a une grande importance en optique; en polarimétrie, il faut une grande intensité avec une pureté modérée, au contraire, une grande pureté et une intensité
modérée sont les meilleures conditions à remplir en interférométrie.
On peut définir l’impureté dans une ligne spectrale d’après la lar-
geur totale occupée par la raie et ses composantes, mais pour tenir compte des positions et des intensités relatives, on a cherché à défi-
nir la luminosité comme le carré moyen d’une erreur ou le rayon de
giration en mécanique. Le centre de masse d’une raie est alors,
E étant l’intensité d’une composante de longueur X :
L’impureté 1 devient alors :
et l’on considère plus spécialement l’impureté spécifique Is, =
277
Par exemple, dans le système des deux raies du sodium :
où
1= 2.9 U. A. et l’impureté spécifique 2.9 : 5.892,5 - 0,00049, _
soit environ 1 : 2.000.
_
,
Pour une ligne simple limitée aux longueurs d’onde X, et ?,2 et
d’intensité uniforme, 1 - 0,2887 0 étant la largeur en
2 v3
U. A.). I,a ligne verte 5.500 a une largeur 0,055 U. A, donne
1 et une impureté spécifique de un trois millionième. Pour
une ligne ou bande dont la distribution est cosinusoïdale, l’impu-
rété est 0,217 ~. Les lignes normales du spectre possédant une énergie dont la distribution correspond grossièrement à la fonction E z-- Ae-- (~~ - a~)2, Is ~ (2~)*~. Les impuretés comparées des trois types précédents à énergie égale sont dans le rapport 1; 0,759;
1,382. Les lignes se rapprochant de la pureté idéale sont rares.
Trois satellites de la ligne verte du mercure sont homogènes à
1
près. Certaines lignes normales de l’arc, pour une inten- sité modérée, à la pression atmosphérique ont une impureté spéci- fique de + 500 . 000 avec une largeur de 0,05 U. A. A basse pression,
les lignes normales de l’arc ont une largeur approximative de 0,006 U. A., avec une impureté spécifique de -.-.’ En troi-
4.000-000
sième rang, se placent les lignes composées des tubes à vide,
dont la largeur varie de 0,1 à 0,03 U. A. et plus. Parmi ces lignes,
on en trouve pour le zinc et le cadmium dont l’impureté spécifique
, 60.000 .
e i .0à0.000 60.000°
Polarimétrie. - Dans les cas où la distribution de l’énergie spec- trale de la source soi-disant monochromatique est connue, on a cherché à calculer l’erreur qui peut résulter de la distribution irré-
278
gulière. Par exemple en employant la lumière du sodium, par suite de la différence d’intensité des deux raies D, la lecture doit être 0,054
fois trop grande si on admet pour la longueur d’onde éclairant les deux plages d’un polarimètre, la moyenne des deux longueurs
d’onde D, et D., cela pour le quartz ou des substances ayant une
dispersion analogue. Les lignes du sodium varient d’ailleurs en
intensité relative avec celle de la flamme. On a proposé comme étalon
pour la spectroscopie de précision la raie verte du mercure et
mesuré la constante par laquelle il faudrait multiplier la rotation lue
avec un polarimètre à lumière verte pour obtenir la valeur exacte que donnerait la lumière du sodium. Cette constante est égale à 0,850944.
Longueurs d’onde. - On a installé un appareil interférentiel à
plaques argentées, et donnant la longueur d’onde relativement à celle de la ligne rouge du cadium tD 6438,696 , à 1 .000.000 1 rès. 4 On a pu ainsip
déterminer la longueur d’onde de 20 raies du néon, qui semblent par- ticulièrement convenables pour servir d’étalon en raison de leur
àomogénéité et de leur clarté, et de plus se trouvent dans une région
les lignes du fer ne sont pas satisfaisantes.
A cette occasion on a donné une formules permettant de calculer le changement de l’ordre d’interférence dû à la variation de la tem-
pérature et de la pression de l’air entre les plaques des appareils à
lames argentées ; cette formule est plus simple que celle de Pul-
frisch, qui peut d’ailleurs s’y ramener.
1 est la distance entre les deux miroirs en millimètres, t1 la tempé-
rature la plus basse et t2 la température la plus élevée b, et b2 la pression en millimètres de mercure aux températures t1 et t2’ (J. le coefficient de dilatation de l’air, Il- son indice de réfraction à 0° à 760 millimètres et la longueur d’onde.
Interférences. - Un essai d’utilisation des anneaux d’interfé-
rence entre deux lames en lumière monochromatique a permis la
construction de petits appareils intéressants. On a pu mettre en évi- dence et mesurer des phénomènes mécaniques (pressions), calori- fiques, des variations de champ magnétique, l’une des lames étant
279
solidaire d’une lame de fer (téléphone), des variations d’épaisseur
du diélectrique d’un condensateur (voltmètre électrostatique).
Radio.métrie. - On emploie dans les laboratoires quatre sortes
d’appareils pour mesurer l’énergie radiante, tous ont été étudiés et
ont subi des perfectionnements nombreux ; on ne peut indiquer
celui qui est préférable, car cela dépend du genre de travail à exé- cuter. Il faut distinguer deux sortes de sensibilités, celle que l’on peut atteindre dans des circonstances tout à fait exceptionnelles
pour une mesure particulière et la sensibilité vraie ou sensibilité de travail, qui importe le plus et que l’on peut atteindre avec des précautions usuelles dans un travail de longue lialeine.
Le microradionÍètrc de Boys a été perfectionné en réduisant son poids et en augmentant la période d’oscillation, surtout en le pla-
çant dans le vide. Sa sensibilité qui n’atteint ordinairement que la moitié de celle des meilleurs bolomètres, devient comparable dans
le vide à omm,1 de pression. La pile thermoélectrique de Rubens a
pu aussi être améliorée par l’emploi de fils très fins (0,06 à 0,08 mil-
limètres de diamètre), dans le vide; elle est à recommander pour l’étude des radiations faibles dans l’ultra-violet et l’infra-rouge, à
condition d’utiliser des sources bien constantes, car elle se met en
équilibre de température moins rapidement que le bolomètre. Le
couple argent bismuth s’est montré trois fois plus sensible que le fer constantan. Le radiomètre de Nichols peut être rendu aussi sensible que le bolomètre, mais sa période est longue; il a l’avantage d’être indépendant des actions magnétiques et peut être facilement protégé
contre les variations de température. Enfin le bolomètre dans le vide se prête aux mesures de haute précision; avec un galvanomètre spécial dont la sensibilité est de 9- 10-1 " ampères (pour 1 millimètre
sur une échelle à 1 mètre), il permet de déceler des différences de
température de 4 10-~ à 5 10-6 degrés.
Pour effectuer les mesures sur toute l’étendue du spectre sans
changer l’arrangement du spectromètre, ni la sensibilité du galvano-
mètre, on a eu recours avec succès à l’artifice du disque tournant
sectionné.
Les spectromètres employés comprennent généralement comme appareil dispersif des prismes de fluorine dont la dispersion a été
étudiée en détail pour permettre les corrections qui ramènent les
observations au spectre normal.
,
280
Ces corrections sont obtenues, soit par le calcul en se basant sur des mesures d’indice, soit en étudiant directement un spectre
connu tel que celui de l’hélium.
Étant en possession d’un outillage très perfectionné pour les
mesures d’énergie radiante, on a étudié un grand nombre de subs- tances, tant au point de vue de l’émission (courbe de distribution de
l’énergie et courbes isochromatiques), qu’au point de vue de la
réflexion et de l’absorption.
Les métaux donnent en général une courbe d’émission régulière
non sélective. Les constantes des formules de radiation ont été déterminées pour un certain nombre de matières : platine, filaments
de lampes à incandescence, porcelaine, etc. ; ces résultats pou- vant fournir des bases pour la graduation des pyromètres optiques.
Le filament Nernst et les oxydes qui le composent présentent cette particularité d’émettre des bandes aux températures peu élevées, qui disparaissent en se fondant dans un spectre continu lorsque la température s’élève. D’autres substances telles que le talc pré-
sentent toujours un spectre de bandes, il est alors difficile de parler
d’un déplacement du maximum d’énergie radiante. La flamme de
l’acétylène dès qu’elle atteint une épaisseur de 2 millimètres fournit
un étalon de source radiante très justifié.
L’étude de l’absorption des substances cristallisées sur toute l’étendue du spectre y a fait découvrir des bandes caractéristiques
de certains groupements chimiques ; on-_trouve ainsi une bande
d’absorption à dans tous les sulfates. En particulier, l’eau
d’imbibition ou de cristallisation donne des bandes d’absorption
à 1, 5; 2 ; 3; 4.75 et 6 p. Ces deux dernières très fortes. Une couche d’eau renfermée entre deux plaques de fluorine séparées par des couches de tain, donne des bandes bien séparées sous une épaisseur
de omm ,0001.5; une couche de omm, i produit une opaçité complète
au-dessus de 5p, ; avec i millimètre l’opacité est complète au-
dessus de 2tJ.. Une lame d’opale desséchée et placée devant la fente du spectroscope dans une atmosphère humide montre graduelle-
ment les bandes caractéristiques de l’eau. Au contraire, les miné-
raux qui ne contiennent que de l’eau de constitution, tels que les micas ne présentent pas les bandes citées plus haut.
’
On s’est également préoccupé de rechercher à quel genre de spectre on pourrait s’adresser pour avoir un étalon radiométrique.
Partant de la ligne jaune de l’lélium ). = 0,58î6p, on a pu fixer très
281 exactement la place de la bande d’absorption dans l’infra-rouge de
la sylvine à 3,8 m. (à 1°25 de la première avec un prisme de fluorine de 60°). La radiation du Bunsen ordinaire fournit une bande d’émission intense à 4,4 ~.. On pourrait aussi choisir des bandes d’émission sélective fournies par certains oxydes sous forme de
bâtonnets : l’oxyde de zirconium présente des màximas très aigus à
2,83 et 4,3p... Les sels de différents métaux employés dans les char- bons à âme donneraient de bonnes bandes d’émission près du spectre visible. L’arc au mercure donne de forts maxima à 1,014 à 1,129~..
Les spectres de transmission seraient peut-être plus maniables, ils
fourniraient des étalons pour le calibrage des prismes de fluorine;
le bichromate de potasse présente un maximum unique intense
à 5,4~, le tétrachlorure de carbone donne une large bande d’absorp-
tion à 13p..
Pyrométrie optique. - La discussion théorique du problème a
montré qu’il fallait toujours revenir au calibrage avec le corps noir sauf à déterminer les facteurs de correction nécessaires lorsqu’on
observe la surface de matériaux usuels. Toutes, les lois du rayonne- ment ont été mises à contribution.
On a classé les différents types de pyromètres optiques et déter-
miné leur valeur dans chaque cas particùlier ainsi que les meilleures conditions de leur emploi.
1° ° Estimation des couleurs à I’oeil (Pouillet), les erreurs peuvent atteindre 50° ; -
2° Méthodes photométriques, mesure de l’intensité photométrique
d’une radiation donnée par rapport à un étalon (Becquerel), en modi-
fiant la lumière envoyée par le corps chaud, soit au moyen d’un
diaphragme iris (Le Chatelier), soit par un coin absorbant (Féry),
soit par un système polarisant (Wanner) ; on peut aussi modifier la lumière émise par l’étalon dont on connaît la température en fonc-
tion de la puissance appliquée (Holborn-Kurlbaiim, Morse) ;
3° Mesure du rapport des intensités de deux longueurs d’onde (Crova) ;
.~° Détermination de la position de la limite supérieure du spectre (sans résultat précis) ;
~° Étude de la longueur d’onde présentant le maximum d’énergie
et application de la loi de Wien Cte) ; ici, la loi est bien
établie ainsi que les constantes d’un certain nombre de corps autres
J. de Phys., 5e série, t. VI. (Octobre-Noven1bre-Décen1bre 1917). 19
282
que le radiateur complet ; mais la difficulté est de localiser Àm par suite de la forme aplatie de la courbe de distribution de l’énergie.
On n’a pas établi de pyromètre dans lesquels on mesure la grandeur renergie maxima en relation avec la température par la formule
6° Etude de la radiation totale. Cette méthode a l’avantage d’être applicable aux températures où les corps n’émettent pas encore de ra.liations visibles; mais elle nécessite des mesures délicates qui
sortiront difficilement des laboratoires (bolométre de Langley, radiomètres, etc.). Le télescope thermo-électrique de Féry est basé
sur ce principe ;
7° Méthodes interférentielles telle que celle de D. Berihelot basée
sur la variation de l’indice de réfraction des gaz avec la température ;
elle nécessite une installation compliquée, mais est en admirable con-
cordance avec les thermomètres à gaz.
De la discussion des particularités des divers instruments il résulte,
qiie la lunette Mesure et Noël ne donne pas une prédision supérieure
à 1 0/0 ; mais sa facilité d’emploi peut cependant la faire employer,
à condition de considérer plutôt ses indications comme relatives.
l’uur les basses températures, vers 600°, les pyromètres Le Chatelier, Holborn-KurIbaum, le télescope à miroir de Féry sont préférables ;
le pyromètre de BB1 anner et le télescope de Féry ont leur limite supé-
-
rieure à 9000. Pour beaucoup d’autres, la limite dépasse les tempéra-
tures obtenues industriellement et leur précision dépend de la rigueur avec laquelle les corps suivent la loi de radiation sur laquelle
ils sont basés.
On n’a pas construit de pyromètre optique enregistreur, les appa- reils à lecture sur cadran tels que le pyromètre Féry, s’y prêteraient
facilement.
Le problème le plus important de la pyrométrie optique est la
connaissance des lois de radiation de corps noir et des écarts que
présententles autres corps, soit que l’on ait l’occasion de viser direc- tement ces matières (porcelaine, filaments de lampes) ; soit que ces corps soient placés intentionnellement dans les fours (platine, oxyde
de cuivre).
On a imaginé un micropyromètre permettant de déterminer la tem-
pérature de fusion de quantités de matière excessivement petites
283 La matière est placée sur une lame de platine chauffée élec-
triquenlent, dans le vide ou dans une atmosphère d’hydrogène, on
vise la substance au moyen d’un microscope et on détermine la tem-
pérature du platine en modifiant convenablement l’incandescence d’une lampe à filament de carbone; la puissance consommée au mo-
ment de la fusion permet de calculer la température.
On a mesuré la température de l’arc par des méthodes dépendant
de l’extrapolation de la loi de et trouvé 3690° absolus au pyro- mètre Iloiborn-Kurlbaum, 3-68a, avec le Wanner et 3720 au pyromètre
Le Cliatclier. La variation de température avec l’intensité du cou-
rant semble sensible. On a eu :
La détermination de la température de fusion d’un certain nombre de métaux dans 1 ’hydrogène (méthode de radiation totale, loi de Stefan-BoItzmann) ou mesure d’une radiation monochromatique (loi de Wien) a donné :
- L’étude de la radiation du cuivre et de l’oxyde de cuivre par
rapport à celle du corps noir a conduit à des formules permettant d’exprimer en température du corps noir les températures obtenues
directement, on a: J
’
pour une lumière monochromatique de longueur d’onde À, e, étant l’énergie émise par la substance x, Tx et To la température indiquée
pour le corps étudié et pour le corps’noir. Pour la radiation totale,
on aurait
