Le radiomètre de Crookes

Un article du site scienceamusante.net.

<keywords content="radiomètre,crooke,crookes,experience,physique,amusante,détection,détecteur,lumière,invisible,infrarouge,infra-rouge,IR,chaleur,rayonnement,infra rouge,rotation,énergie,photon" /> Voici un instrument qui a montré l'existence de rayonnement invisible à nos yeux. Le radiomètre de Crookes est constitué d'une ampoule sous pression assez réduite et d'un petit tourniquet comportant quatre ailettes carrées. Chaque ailette possède une face noire et une face blanche.

1 Matériel

Schéma en coupe d'un radiomètre de Crookes.
  • Un radiomètre[1]
  • Diverses sources lumineuses :
    • lampe halogène ou ampoule à incandescence,
    • briquet,
    • ampoule à économie d'énergie (fluocompacte) ou tube néon,
    • tube de lumière ultraviolette Radiations ionisantes,
    • fer à repasser.
  • Miroir pour diriger les rayons du soleil (un jour de beau temps)

2 Expériences

  • Lorsqu'on éclaire le radiomètre avec la lumière du soleil ou bien avec une lampe halogène à incandescence, même faiblement, il tourne avec les faces blanches en avant. Il semble tourner sans moteur ni apport d'énergie, tel un mouvement perpétuel. Et pourtant...
  • Lorsqu'on l'éclaire avec la lumière d'un tube néon ou d'une autre source froide, le radiomètre ne tourne pas.
  • Éclairé avec des ultraviolets, le radiomètre ne tourne pas non plus.
  • Avec la flamme d'un briquet, qui émet de la lumière visible et de la chaleur, le radiomètre tourne lentement.
  • Avec un fer à repasser chaud, qui n'émet aucune lumière visible, le radiomètre tourne.

3 Explications

  • Si le radiomètre tourne avec certaines lumières et pas avec d'autres, cela doit venir de la différence qui existe entre les différentes sources de lumière dans un domaine où notre œil n'est pas sensible.
  • Les faces noires absorbent l'intensité lumineuse plus facilement que les faces blanches et donc s'échauffent plus. Les molécules résiduelles présentes dans l'ampoule frappent toutes les faces, mais comme les faces noires sont plus chaudes, les molécules de gaz qui y rebondissent gagnent de l'énergie cinétique. Par réaction, la force exercée sur les faces noires est plus forte que la force exercée sur les faces blanches. D'où la rotation dans ce sens.
  • Le radiomètre est très sensible au rayonnement infrarouge, responsables de l'échauffement. Il n'est sensible ni à la lumière visible, ni aux ultraviolets. Le rayonnement solaire, très riche en infrarouges, est idéal pour faire fonctionner le radiomètre, de même que les ampoules à filament incandescent. Cet appareil a d'ailleurs été inventé pour mettre en évidence l'émission des corps chauffants. Avec une ampoule à économie d'énergie ou un tube néon, il n'y a pas de rotation de radiomètre car la lumière émise se situe uniquement dans la partie visible du spectres des ondes électromagnétiques. La lampe de Wood, qui émet de la lumière violette visible et une grande partie d'ultraviolets, n'a pas d'effet non plus.
  • Le fer à repasser, même s'il n'émet aucune lumière visible, émet une grande quantité de rayonnement infrarouges, d'où la rotation observée.
  • Si le vide était parfait, ce qui est le cas dans certains types de radiomètre, il n'y aurait pas de chocs de molécules sur les faces. Et pourtant un tel radimètre tourne... mais dans l'autre sens ! Cela vient du fait que la lumière exerce une faible pression (radiative) : les faces blanches réfléchissent les photons, d'où un transfert d'impulsion vers le tourniquet ; les faces noires absorbent les photons.
  • Si l'ampoule n'était pas sous pression réduite, les frottements de l'air empêcheraient la rotation.

4 Vidéo

5 Références

  1. On peut maintenant acheter des radiomètres dans de nombreux magasins ou sur Internet, par exemple chez Imaginascience.