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Mesures sur la viscosité de l’oxygène dans un champ
magnétique et pour des très basses pressions
A. van Itterbeek, A. Claes
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
LE
RADIUM
MESURES SUR LA
VISCOSITÉ
DEL’OXYGÈNE
DANS UN CHAMPMAGNÉTIQUE
ET POUR DESTRÈS
BASSES PRESSIONSPar A. VAN ITTERBEEK et Mlle A. CLAES.
Natuurkundig Laboratorium, Louvain
(Belgique).
Sommaire. 2014 Nous
avons fait des mesures sur l’influence du champ magnétique (intensité maximum, 869 oersted ; lignes de force perpendiculaires au mouvement du gaz) sur la viscosité de l’oxygène en fonction de la pression (760 mm à 0,5 mm) et en fonction de l’intensité du champ. Les mesures sont faites à la tempé-rature ordinaire et à 90° Abs.
La méthode expérimentale est la méthode d’oscillation de Maxwell. En accord avec les résultats trouvés par d’autres chercheurs, qui ont cependant employé la méthode d’écoulement, nous avons trouvé que la
visco-sité diminue sous l’influence du champ. A la température ordinaire, ce décroissement passe même par un maximum aux environs de 15 mm. Ce maximum semble constituer une propriété due à l’oxygéne seul et
ne dépend pas des dimensions de l’appareil.
A 90° Abs., nous n’avons pas trouvé de décroissement, bien que toutes les précautions expérimentales possibles aient été prises.
SÉRIE VII. TOME IX. Ne 1’I. , NOVEMBRE 1938.
1. Introduction. - En
rapport
avec l’ensembledes recherches que nous avons
entreprises
les dernièresannées
(1)
sur la viscosité des gaz aux bassestempé-ratures et sous des basses
pressions,
nous avonsmain-tenant étudié la viscosité de
l’oxygène
dans unchamp
magnétique.
Cette recherche
présente
un intérêtparticulier.
Eneffet,
comme onsait,
ungrand
nombre derecher-ches ont été faites par
Engelhardt
et Sack(2),
Senftle-ben
(3),
Senftleben et Pietzner(4),
Trautz etFrôs-chel
(5)
et par Senftleben et Gladisch(6)
sur ledécrois-sement que subit la viscosité et la conductibilité
thermique
des gazparamagnétiques,
tels que 02 etNO,
sous l’influence d’un
champ magnétique.
Lesphéno-mènes observés sont très
compliqués et,
jusqu’ici,
onn’est pas encore parvenu à donner une
explication
physique
satisfaisante pour l’ensemble des résultats trouvés. Il restecependant
à citer les travauxthéo-riques
de Laue(7 )
qui
est parvenu à établir unefor-mule,
ensupposant qu’il
y ait un effet sur le libre parcours moyen(sans
faireappel
cependant
à uneimage physique),
etqui permet
de décrire l’ensemble des résultatscorrespondants
auxpressions
ordinaires.Dans la
région
des bassespressions,
lephénomène
est encore
plus compliqué
et notre recherche serap-porte justement
à larégion
des très bassespressions
où presque pas de mesures ont été faitesjusqu’ici.
Nos recherches sont encore
importantes
aupoint
de vue suivant. Les mesures faitesjusqu’ici
par les différentsexpérimentateurs
sur la viscosité ont été exécutées en faisant usage de la méthoded’écoule-ment,
sous une formeplus
ou moinsperfectionnée,
àtravers un tube
capillaire.
Or,
oncomprend
facilementque la méthode d’écoulement n’est pas
applicable
à larégion
des très bassespressions.
Dans toutes nos recherches sur la viscosité des gaz nous avons
toujours
fait usage de la méthoded’oscil-lation de Maxwell. Cette méthode
qui
présente
undegré
deprécision
relative trèsgrande
estparticuliè-rement
appropriée
à l’étude de la viscosité en fonction de lapression
et aussi aux bassestempératures.
Enemployant
ainsi une méthodeexpérimentale
complè-tement différente de celle
employée
par les autrescher-cheurs,
ondisposait
d’un moyen de contrôle eff~icace.Comme on
sait,
la loi de Maxwell(la
viscosité d’un gaz nedépend
pas de lapression),
n’estplus
valable dans larégion
despressions
où le libre parcoursmoyen des molécules devient de l’ordre de
grandeur
des dimensions de
l’appareil.
Il a été montré par l’und’entre nous, dans une
publication
faite en collabora-tion avec Keesom(8)
que, dans larégion
des basseset des très basses
pressions
que la viscosité(*)
peut
êtrereprésentée
au moyen d’une formule de la forme :~ =
’1)00 . p / ("f)oo . a +
p) (1),
~oo étant la valeurlimite-de -1
etcorrespondant
à la vraie viscosité du gaz,p la
pression
et a unparamètre
qui dépend
des dimensions del’appareil
etqui
varie en fonction de latempérature.
Lacourbe -1
(p) représentée
par la for-muleprécédente peut
être considérée comme forméede deux
parties :
unepartie
courbequi correspond
auxpressions
pourlesquelles
le libre parcours moyencorrespondant
devient deplus
enplus
de l’ordre de°
(*) Il faut considérer ici une extension de la notion de viscosité.
458
grandeur
des dimensions del’appareil.
L’autrepartie
peut
être considérée comme droite(-n
---p
la)
etcor-respond
aux très bassespressions
pourlesquelles
lelibre parcours moyen
correspondant
estbeaucoup
supérieur
aux dimensions del’appareil
danslequel
la viscosité est mesurée.Nous avons parcouru tout en entier la courbe de
viscosité 1)
(p)
à latempérature
ordinaire pour le cas. de
l’oxygène placé
dans unchamp magnétique
per-pendiculaire
à lacomposante
du mouvement du gaz. Enparcourant
ainsi tout en entier la courbe devisco-sité,
nous avons eu l’intention d’examiner si lephéno-mène du décroissement ne serait pas intimement lié
à une influence du
champ
sur la fonction distributivedes vitesses des
particules.
On
pouvait prévoir, d’après
les mesures faites par lesautres
chercheurs, qu’aux
environs de 15 mm, le décroissement que subit la viscosité devait passer par un maximum en la considérant en fonction de lapression.
Nous avons retrouvé ce maximum et il noussemble que ceci doit être considéré comme un fait
très
important,
eneffet,
ceci nous montre que lephénomène
observé nedépend
pas des conditionsexpérimentales,
mais semble être unepropriété
propre àl’oxygène.
La
courbe -1 (p)
a été étudiée avecbeaucoup
de soin aux environs de ce maximum. D’autrepart,
onpeut
aussi remarquer que la
pression
de 15 mm tombeencore dans la
région
despressions
où la viscosité nedépend
pas encore de lapression.
Il semblerait donc que lephénomène
n’aurait pas de liaison avec uneinfluence sur la distribution des vitesses.
Nous avons fait aussi
quelques
mesures à latempé-rature d’ébullition de
l’oxygène liquide.
Nous n’avons pas trouvé d’influence duchamp magnétique,
en par-courant aussi lacourbe 7j (p).
Ceci ne semble pas être en accord avec les résultats obtenus pour laconduc-tibilité
thermique (9).
§
2.Appareil
et méthode de mesure. -L’appa-reil
qui
a serviégalement
à nos mesures antérieuressur la viscosité des gaz est
représenté
dans lafigure
1.A cause de
l’usage
d’unchamp magnétique,
cetappareil
antérieur avait dû subircependant quelques
modifications. Ledisque
oscillant,
qui
avait étéjusqu’ici
en cuivre etqui
étaitsuspendu
à un axe en acier a dû êtreremplacé
par undisque
en verre.L’axe de
suspension
est maintenantégalement
com-plètement
en verre.a
représente
ledisque
oscillant(épaisseur :
0,7
mmet diamètre 41
mm).
b
représente
l’axe desuspension
(diamètre
1mm).
L’axe b est
suspendu
à son tour à un fil c en bronzephosphoreux
(0,01
mm).
d sont les
disques
fixesqui
se trouvent à desdis-tances dl
=0,721
mm, et
d2 =1,066
mm dudisque
mobile a.
Le
système
d’oscillation formé par les deuxdisques
Ixesdl
etd2
est attaché au tube en verre e au moyend’une
pièce
en ferchro-mique,
scellée au tube e.Le tube e est scellé à
son tour au réservoir
f,
contenant le gaz à étu-dier.
Les oscillations du sys-tème sont observées au
moyen d’un
petit
miroirplan
m collé à l’axe b. La lecture des dévia-tions se fait au moyend’une lunette dans
la-quelle
on observel’image
d’une échelle réfléchie par le miroir.
Le
système
est mis enmouvement en
commu-niquant
une déviation àla
pièce
en
fer doux(n),
collé à l’axeb,
eten
approchant
l’appareil
l aumoyen d’un
ai-mant
permanent.
E
représente
la bobinequi
sert àproduire
lechamp
magnétique, E
constitue une des
bobines de l’électroai-mant de no- 1 tre labora-toire
(~.000
spires,inten-sité de cou-rantmaxi-mum : 20A).
Comme onsait,
laviscosité d’un gaz s’ob-tient en déterminant la
différence des
décré-ments
logarithmiques
-Ào, i~ étant le décrément observé dans le gaz et à dans le vide. Il
faut,
enoutre,
connaître lapériode
d’oscillation oc(11,88
sec dans nosexpériences).
On calculealors -1
enpartant
de la formuleC est une constante de
l’appareil qui peut
êtredé-terminée en faisant intervenir les dimensions de
l’ap-pareil
ouplus commodément,
en faisant une mesurerelative.
La formule
(2)
s’obtient en étudiantl’équation
différentielle du second ordre
qui
représente
l’équation
de mouvement du
système
oscillant.auxquelles
on n’a pas affairequand
onemploie
la méthode d’écoulement. Eneffet,
dans ce dernier cas,on a seulement affaire au mouvement du gaz, tandis
que dans la méthode
d’oscillation,
il faut considérer en outre le mouvement dudisque qui
effectue des oscillations dans lechamp magnétique.
Dans le cas où ledisque
se meut dans unplan
parallèle
auxlignes
deforce,
il faut tenircompte
de l’influence duchamp
magnétique
sur le mouvement dudisque
mêmelorsque
ce dernier est en verre(viscosité
magnétique).
Cette influence ne
peut
pas être éliminée en faisantdes mesures dans le
vide,
à cause du fait que lasolu-tion de
l’équation
différentiellecorrespondant
àl’effet de viscosité
magnétique
ensemble avec l’effet deviscosité dû au gaz ne
peut
pas êtreséparée
en deuxpar-ties
explicitement
distinctes et serapportant
chacuneaux deux effets considérés
séparés.
Afin d’éviter cette
difficulté,
nous nous sommesdécidés de faire des mesures dans un
champ
perpendi-culaire au mouvement du
disque.
Nous avons faitaussi
quelques
mesures dans l’autre direction duchamp,
afin d’obtenir certaines donnéesnumériques
sur la « viscositémagnétique »
du verre. Nous reviendrons dans un autrearticle,
sur les résultats deces mesures.
Comme nous l’avons
indiqué
ci-dessus lechamp
magnétique
pour le cas où leslignes
de force sontper-pendiculaires
au mouvement dudisque,
estproduit
au moyen d’un solénoide.
Evidemment,
de cefait,
l’intensité du
champ magnétique employé
est limité à environ 1 000 G.Heureusement,
quand
on veutétudier le décroissement de la viscosité dans la
région
des bassespressions,
des intensités de cet ordre degrandeur
sont suffisantes.§
3. Résultatsexpérimentaux. -
Comme l’in-fluence duchamp magnétique
sur la viscosité dugaz est très
petite
et nedépasse pas 1
pour100,
lesmesures devaient être faites avec
grande précision.
Tout
changement
detempérature
au cours d’unemesure
pouvait
erronnercomplètement
les résultats.Pour cette
raison,
l’appareil
étaitcomplètement
pro-tégé
au moyen d’un vase Dewar.Aussi,
letemps
nécessaire à une mesure est rendu aussi court quepossible
(une
mesure dure au maximum 2min)
de sorte que touteinfluence,
par suite d’unchangement
detempérature,
peut
être exclue. Aussi les mesures sonttoujours
faites dans l’ordre suivant : On commence par faire une mesure sans lechamp,
immédiatementaprès,
la mesure estrépétée
enappliquant
lechamp
et ceci est fait 3 fois de suite.Chaque
mesure est formée de 20oscillations,
de sorteque pour calculer le décrément
logarithmique
moyen, ondispose
ainsi de 40 donnéesnumériques.
Néanmoinstoutes ces
précautions,
laprécision
obtenue pour ledécroissement n’est pas encore
grande.
L’oxygène
employé
dans ces mesures estpurifié
endistillant de
l’oxygène
de99,6
pour 100.Les résultats obtenus à la
température
ordinaireTABLEAU 1. -- Décroissement de la viscosité de
l’oxygène
dans unchamp magnétique, à
la460
pour les
champs
de430, 574,
719 et 869 oersted sontindiqués
dans le tableauI,
etreprésentés
graphique-ment au moyen desfigures 2,
3, 4,
5 et 5’(la
fig.
5’correspond
auchamp
de 869oersted, seulement,
il a étéutilisé une
plus petite
échelle).
A
partir
des courbes moyennes dessinées dans lesfigures
2, 3, 4,
5 et5’,
nous avons obtenu legra-phique
6,
qui
résume l’ensemble des résultats etqui
montre lephénomène
en fonction de l’intensité duchamp.
En considérant l’ensemble des résultats obtenus à la
température ordinaire,
onaperçoit
que ces résultatssont en accord avec les résultats trouvés par les autres
chercheurs. D’autre
part,
on remarquel’apparition
du maximum comme il était
prévu
par les mesures de50 mm, mais pour des intensités du
champ beaucoup
plus grandes.
L’existence de ce maximumapparaît
aussi surtout des mesures sur la conductibilité
ther-mique
faite par Senftleben et Pietzner(4).
Comme nous avons fait remarquer
ci-dessus,
lemaximum se trouve aux environs de 15 mm, or cette
pression appartient
encore à larégion
où la viscositéne
dépend
pas encore de lapression
(cette
région
se termine à environ 6mm).
Ce maximum semble donc bien être unepropriété provenant
seulement du gaz. Demême,
comme il adéjà
étésuggéré
par d’autreschercheurs,
nous sommes d’avis que lephénomène
trouvé,
ainsi que celuiqui
a été trouvé par l’un d’entre nous(11)
en mesurantl’absorption
du son dansl’oxy-gène placé
dans unchamp magnétique,
doivent êtreexpliqués
par uneespèce
depolymérisation
du gazsous l’influence du
champ magnétique
(*).
En faisantdes mesures sur le
spectre
Raman,
del’oxygène placé
dans un
champ magnétique,
il nous semblequ’on
pourra trouver des données
intéressantes,
qui,
peut-être,
donneront uneexplication
duphénomène.
Finalement,
nous pouvons remarquer que même dans larégion
despressions
où le libre parcours moyen des molécules devient de l’ordre degrandeur
des dimensions del’appareil,
que l’effet existe encore.Dans le tableau
II,
nous avonsindiqué
les résultatsobtenus à 90° Abs. Les résultats sont
indiqués
dans l’ordre que les mesures ont été faites. De ces mesures, on nepeut
pas conclure à une diminution sousl’in-fluence du
champ
magnétique. D’après
les mesuresfaites par Senftleben et Pietzner
(12)
sur laconducti-bilité
thermique
à 87°Abs,
il faudrait trouvercepen-dant pour un
champ
de 800 Gauss et unepression
de40 mm, un décroisse- ment de 30.10-4 et l’effet va en
croissant
lorsque
lapression
s’abaisse.(*) Quand on considère les mesures correspondant au champ
de 574 oersted, on remarque qu’il existe des déviations
relative-ment grandes pour des pressions inférieures à 5 mm. Il ne nous
semble pas qu’on ait affaire ici à des erreurs accidentelles. Mais
il serait bien possible, sous certaines conditions, la formation de molécules associées puisse être favorisée.
TABLEAU II.
Il = 869
oersted,
et T =90,0°
Abs.D’autre
part,
onpeut
remarquer que laprécision
de nos mesures est
beaucoup plus petite
à 900 Abs.qu’à
latempérature
ordinaire. Ceciprovient
du faitque le mouvement du
disque
oscillant estlégèrement
perturbé
par suite de l’ébullition del’oxygène liquide.
BIBLIOGRAPHIE
(2) A. VAN ITTERBEEK et W. H. KEESOM, Physica, 1935, 2, 97;
Comm. Leiden, N° 235 a; A. VAN ITTERBEEK et Mlle A. CLAES,
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Wis- en Natuurk. Tydschr., 1936, 8, 45.
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(7) M. v. LAUE, Ann. der Physik, 1935, 23, 1; 1936, 26, 474.
(8) A. VAN ITTERBEEK et W. H. KEESOM, Physica, 1938, 5,
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*(9) H. SENFTLEBEN et J. PIETZNER, Ann. der Physik, 1933, 16,
907.
(10) H. SENFTLEBEN et H. GLADISCH, loc. cit.
(11) A. VAN ITTERBEEK et L. THYS, Physica, 1938, 5, 298.
