Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     Qu'est-ce qu'un radiomètre de Crookes ?



 

 

        Non, non ... Ce n'est pas un appareil à mesurer les postes de radio. Mais si vous êtes avide de curiosités scientifiques comme je le soupçonne (sinon vous seriez sur un site de foot ou de pêche au calmar), vous avez déjà probablement vu ce curieux petit dispositif...

Un radiomètre
  ...Qui existe en plusieurs tailles et formes, mais qui se met à tourner lorsqu'il est exposé à une lumière vive. Si vous trouvez une version destinée aux laboratoires, il se mettra à tourner aussi dans l'obscurité près d'un radiateur ou même entre les paumes de vos mains... Dans l'ampoule règne un vide presque total (le presque est crucial), chaque pale est très légère, brillante sur une face et noircie sur l'autre.

        Pas vraiment complexe en apparence, mais l'explication de la rotation du moulin continue encore à déchaîner les passions et les crêpages de chignons. Crookes lui-même inventeur de l'appareil à la fin de XIXème siècle, n'en avait pas une explication très convaincante. Il a fallu que de grands noms comme Maxwell (théorie des gaz et inventeur des équations régissant les ondes électromagnétiques), Reynolds (qui s'est rendu célèbre dans les écoulement de fluides) et Einstein (qu'on ne présente plus) s'y mettent successivement pour que l'on y comprenne vaguement quelque chose... C'est dire...

        La première idée qui vient à l'esprit, et que l'on trouve encore imprimée sur la notice de certains de ces hochets pour physiciens est la suivante: La lumière, constituée de petits grains (les photons) vient frapper les ailettes du moulin. Les photons rebondissent sur les faces brillantes et leurs communiquent plein de "quantité de mouvement", alors qu'ils sont absorbés sur les faces noires, et donc, en communiquent moins. Cela s'appelle la "pression de radiation". C'est elle qui repousse les poussières des queues cométaires à l'opposé du Soleil et pourrait servir dans le futur à créer des vaisseaux à gigantesques voiles solaires (cela a déjà été testé, en petit...). Le problème, c'est que si l'explication était la bonne, le moulin tournerait dans le mauvais sens...

La rotation du radiomètre
     Voici comment tourne le moulin "pour de vrai". Ce sont les faces noires qui sont repoussées, quel que soit l'endroit d'où provient la lumière, et non pas les brillantes...

            En fait, c'est le gaz résiduel qui joue le rôle clef. D'ailleurs, quand l'ampoule contient de l'air à la pression ambiante, le phénomène n'a pas lieu. Mais il devient de plus en plus sensible au fur et à mesure que la pression baisse pour passer par un maximum vers 0,01 mbar ou 10 hPa, et recommence à décroître lorsque le vide devient meilleur, pour cesser tout à fait. Trop de gaz et il y a trop de frottements, pas assez, et la lumière seule ne peut plus causer le phénomène. Néanmoins, la pression de radiation de la lumière peut se mettre en évidence, mais avec un instrument bien plus sensible, comme le radiomètre de Nichols (qui lui ne donne pas de rotation continue).

            Mais voyons comment gaz et lumière conspirent afin de mettre notre mobile en mouvement:

L'action du gaz sur les ailettes d'un radiomètre
  La face noire absorbe plus de lumière que la face brillante: elle s'échauffe donc plus. Le gaz situé à proximité immédiate se dilate, et repousse l'ailette. On peut dire aussi que les molécules du gaz accélèrent, et qu'alors les collisions sur la lame seront plus violentes, d'où la répulsion... Remarquez que cela explique aussi la rotation dans l'obscurité, à proximité d'un radiateur qui émet des infra-rouges. Ceux-ci vont se comporter comme la lumière visible, même si nos yeux ne les perçoivent pas. Mais l'enveloppe en verre filtre une grande partie de ces rayonnements, ce qui limite l'effet...

            Dès que la face sombre a fait un demi tour, elle se refroidit avant de refaire face à la lumière. Mais il semble que cette explication ne soit qu'incomplète, puisque le gaz qui se dilate empêche d'autres molécules d'atteindre l'ailette, et la plus forte densité de gaz côté froid doit limiter la progression de la pale. Certains auteurs ont alors invoqué des phénomènes d'adsorption (dépôt à la surface) de molécules sur la face noire fraîche puis de désorption à la chaleur, qui par effet de recul, mettrait la pale en mouvement. Mais cela ne semble pas confirmé...

            Enfin, Einstein, puis Reynolds ont invoqué des phénomènes différents de principe mais conduisant au même comportement:

Transfert de matière autour d'une ailette de radiomètre
  La densité du gaz étant plus faible sur la face chauffée que sur l'autre, il y a transfert de matière de la face à "forte densité" vers celle à "faible densité". Ce qui explique le renouvellement du gaz sur la face chaude, et surtout réduit la résistance à l'avancement du gaz situé sur la face froide. Que de subtilités...

            Il faut souvent se méfier d'inoffensifs petits gadgets, ils peuvent conduire à certaines contorsions de neurones, dont il faut absolument abuser régulièrement...