Radiomètre de Crookes

Animation du radiomètre de Crookes

Le radiomètre de Crookes consiste en une ampoule sous vide partiel, dans laquelle on a disposé un système rotatif constitué d’un axe de métal sur lequel peut tourner un ensemble de quatre ailettes de mica dont chacune a une des faces noircie au noir de fumée et l’autre argentée. Exposées à la lumière, ces ailettes se mettent à tourner et d’autant plus vite que la lumière est forte.

Il a été inventé par William Crookes pour mesurer les radiations magnétiques, mais les causes de la mise en rotation du dispositif ont été le sujet de plusieurs débats de scientifiques.

De fait, le radiomètre n’entre pas en rotation uniquement sous les effets de la lumière car on constate que la chaleur de la main est suffisante pour que tourne, même lentement, le dispositif.

Clarifications thermodynamiques

Radiomètre de Crookes

Tout appareil destiné à mesurer la température doit détecter une différence de température. Ici la face noircie du dispositif s'échauffe plus que la face argentée puisque l’énergie radiante provenant de la lumière, ou de la chaleur rémanente, est davantage absorbée par cette face que par la face argentée. La portion de gaz en contact avec la face noircie est donc plus chaude que la portion de gaz en contact avec la face argentée. La première portion de gaz se dilate donc plus que la deuxième et « pousse » la face noircie plus fort que la face argentée ce qui fait finalement tourner le moulin dans le sens de la face noircie « poussant » la face argentée.

Un vide plus poussé, malgré un éclairage intense, fait cesser la rotation. Certains scientifiques ont constaté que, sous un vide encore plus poussé, le dispositif tourne alors à l’envers : la face argentée « poussant » la face noircie.

William Crookes avait initialement inventé cet appareil pour détecter la pression de radiation de la lumière, théorie originalement proposée par James Clerk Maxwell. Si la pression de la lumière met en mouvement les ailettes, celles-ci devraient tourner en sens inverse (la face argentée poussant la face noircie) puisque le noir absorbe et le brillant rejette.

Du fait de la rotation, où la face noire pousse la face argentée, Arthur Schuler a remis en cause la destination de l’appareil en supposant que les forces agissantes résidaient à l’intérieur du dispositif. Son raisonnement consistait à dire : si une pression légère facilitait la rotation, un vide plus poussé devait la favoriser davantage. Or, il n’en est rien, comme l’a montré Pyotr Lebedev avec un appareil à vide plus performant.

Finalement, Albert Einstein montra que les pressions exercées sur chacune des faces d’une ailette ne sont pas égales. Et Osborne Reynolds démontra que, en moyenne, les molécules de gaz se déplacent de la face froide vers la face chaude (du brillant au noirci) provoquant une différence de pression sensiblement égale à la racine carrée de la différence des températures.

C’est à la fois les forces décrites par Einstein et Reynolds qui paraissent provoquer la rotation du radiomètre de Crookes, sans qu’on sache vraiment si l’une est plus importante que l’autre.

Liens externes

• (en) Crookes tube sur The Cathode Ray Tube site
• (en) Mary Bell et S. E. Green, « On radiometer action and the pressure of radiation », dans Proceedings of the Physical Society, vol. 45, n^o 2, 1933, p. 320 [lien DOI] 
• (en) Philip Gibbs, How does a light-mill work?, juillet 1996
• Le radiomètre de Crookes

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