CHALEUR RAYONNANTE

60. Notre étude thennométrîquc ne nous a encore rien appris sur la nature de la chaleur ; c'est pourtant là la question principale, et le moment est venu de nous en préoccuper. Si d'abord nous cherchons d'où vient la chaleur, nous lui trouvons trois sources principales : le^ actions mécaniques, les actions chimiques et plus spécialement la combustion du bois et de la houille, le rayonnement solaire. Les actions mécaniques méritent une place à part, et nous les retrouverons bientôt. Quant au bois et à la houille, qui nous servent à nous chauffer, ou à obtenir, par voie chimique, d'autres corps pouvant dégager de la chaleur en brûlant (métaux), on voit qu'ils ne sont que des magasins temporaires de chaleur solaire. Le bois demande du soleil pour pousser, la houille en a demandé autrefois. Donc, nous pouvons ne pas nous arrêter à ces corps dans notre étude des origines, et il faut remonter directement au soleil, foyer incandescent qui rayonne vers nous.

Pour l'étude de cette chaleur rayonnante, nous avons besoin d'un instrument plus sensible que le thermomètre à mercure et même que le thermomètre à gaz. Ces instruments consomment trop et rendent trop peu. Il nous faut des appareils qui consomment peu et rendent beaucoup, qui manifestent, par exemple, par un phénomène apparent, une

variation de température de ^-pr^ ou même de .-Tr-rr^ de de-

IjUUl) 10,000

gré, comme le bolomètre de M. Langley. A ce degré de sen-

sibilité, le bolomètre n'est presque plus un instrument de mesure, et nous ne le décrirons pas. Nous nous arrêterons à un instrument un peu moins sensible, mais qu'on peut graduer avec quelque sûreté, la pile thermo-électrique.

61. Thermomètre électrique. — Ici encore, comme pour le thermomètre, on utilise l'un des effets de la chaleur pour la mesurer. L'expérience a appris que lorsque dans un circuit métallique A^ ^ quelconque, on introduit (fig. 39), au

moyen de deux soudures A et B, un fil d'un autre métal, il suffit de chauffer une ®'^ V^?:^ de ces soudures en laissant l'autre à tem-

pérature constante pour obtenir dans le circuit un courant électrique que l'on peut manifester par un de ses effets ordinaires, par exemple par son action sur **' ^ ' une aiguille aimantée G.

Ce courant dure aussi longtemps qu'il existe une différence de température entre les deux soudures, et augmente avec cette différence. Son sens et son intensité pour une même différence de température dépendent delà nature des métaux accouplés. Si donc on chauffe la soudure restée froide, sans rien changer à la température de l'autre, il se développe un second courant, de sens contraire au premier, qui en détruit l'effet lorsque les deux soudures sont à la même température, et persiste seul, avec une intensité qui est égale à la différence des intensités des deux courants individuels, quand c'est la soudure B qui est plus chaude que A. Toute inégalité de température entre les deux soudures, qu'elle provienne du réchauffement de l'une ou du refroidissement de l'autre, se traduira donc par un courant dont le sens indiquera quelle est la soudure qui est la plus chaude, et dont l'intensité croîtra avec la différenpe de température.

Cette intensité pourra elle-même être augmentée, et Tinstrument rendu plus sensible par l'artifice suivant. Si,

CHALEUR RAYONNANTE. lOS

dans le circuit considéré, on introduit plusieurs tronçons du même ûl, ce qui donne autant de soudures A et de soudures B qu'il y a de tronçons, l'expérience apprend que tous les courants qu'on obtient en chaufTant les soudures A, et maintenant les soudures B à température constante, s'ajoutent, si individuellement ils ne sont pas trop intenses, de sorte que le circuit est parcouru par leur somme.

En multipliant les soudures et en choisissant, en outre, dans la liste des métaux et des alliages, les corps qui traduisent une même différence de température des soudures par le couranl le plus intense, on pourra donc avoir un instrument très sensible.

Dans la pratique, on réunit des barreaux de bismuth et d'antimoine taillés comme l'indique la figure 60, et serrés les uns contre les autres, de façon à constituer un faisceau prismatique portant sur une de ses bases toutes les soudures A, sur l'autre toutes les soudures B. On obtient ainsi, sur les deux bases du prisme, une petite surface rectangulaire ou carrée, très bien disposée pour recevoir les impressions en surface de la chaleur rayon- *^'

nante, et offrant en outre cet avantage que l'impression calorifique n'a pas besoin de pénétrer toute l'épaisseur de la soudure pour se traduire par un courant. Une impression superficielle suffit pour cela. Pour augmenter l'action, on recouvre cette surface d'une couche mince de noir de fumée, et on la munit, suivant les cas, sôit d'un collecteur conique destiné à ramasser tous les rayons d'un faisceau calorifique convergent, soit d'un collecteur prismatique destiné à arrêter tous les rayons qui n'arrivent pas suivant l'axe de la pile thermo-électrique, et à limiter ainsi un faisceau prismatique de surface égale à celle de la pile.

Le courant électrique, dont on peut augmenter Tinten-

site en prenant des barreaux fins et en multipliant le nombre

des soudures par centimètre carré, peut èlrc mis ensuite en évidence de plusieurs manières.

Quand on veut faire des mesures précises, on le fait agir sur l'aiguille d'un galvanomètre dont les moindres déviations peuvent être mesurées avec une grande exactitude. On peut alors se borner à produire des courants très faibles, ce qui est évidemment très favorable à la sensibilité.

Pour les cours, le meilleur instrument, le plus sensible, et celui dont les indications sont le

Fig. 61.

plus visibles, c'est le galvanomètre Bourbouze (fig. 61), dont la pièce principale est une aiguille d'acier aimantée RK', suspendue, à la façon d'un fléau de balance (fig. 62), au milieu d'un cadre de fils nïétalliques. A l'aide de contrepoids m, m\ courant sur des vis filetées, cette aiguille peut être mise horizontale. Quand un courant passe dans les fils, elle tend à se mettre en croix avec eux, s'incline, et une aiguille A dont elle est munie se promène sur un cadran divisé. Quand l'appareil est bien réglé, il suffit de diriger un instant son haleine sur une des faces de la pile pour que raigullle parcoure le cadran tout entier. Eu souf-

Fi»?. 62.

CHALEUR RAYONNANTK. m

fiant sur l'autre face, on la ramène au O'*. Aucun thermomètre à mercure ne manifesterait par des effets aussi accusés d'aussi faibles différences de température.

62. Graduation. — A côté de cet avantage, ces piles thermo-électriques ont un inconvénient, c'est que le nombre des transformations qui s'intercalent entre l'impression calorifique et le mouvement do l'aiguille est trop grand pour qu'on puisse soumettre l'appareil à une graduation directe. On est obligé d'avoir recours à une graduation empirique dont nous donnerons seulement le principe. Supposons une pile ayant par cxempk 1 centimètre carré de surface. Établissons entre ses deux faces une différence de température de 1° en les plongeant dans deux bains ayant entre eux cette différence. Nous observerons une déviation qui se reproduira toujours la même lorsque les deux faces de la pile auront une différence de température del**. Supposonsla par exemple de 20 divisions, et notons-la sur un tableau. Amenons à 2® la différence de température, nous aurons une nouvelle déviation qui ne sera pas le double de la première, qui atteindra par exemple 33 divisions. Nous mettrons dans notre tableau le nombre 35 en regard do la différence 2*». De même pour 3*>, nous aurons à inscrire un nouveau chiffre, par exemple de 45, et nous pourrons ainsi drosser imè table, ou mieux, construire une courbe qui nous donnera pour chaque déviation observée, la différence de température correspondante. Nous aurons donc une graduation empirique qui, mettant en rapport les indications de notre instrument avec celles du thermomètre à mercure, rend par cela toutes les piles thermo-électriques comparables entre elles.

Chacun des observateurs pourra en outre appeler unité d'intensité celle du faisceau calorifique cylindrique ou prismatique qui, en tombant sur sa pile, s'y traduit par une déviation de 1 division de l'aiguille du galvanomètre. Cette unité d'intensité sera variable d'un appareil à l'autre, et d'autant plus faible que l'appareil aura plus de sensibilité.

Maïs du moment qu'elle est évaluée en divisions dé récheîlc, et que Ton a une table de correspondance entre ces divisions et les degrés du thermomètre à mercure, toutes les diverses mesures d'intensité, faites par divers savants et en divers lieux, pourront être comparées lôs unes aux autres. C'est avec cet instrument ainsi défini que nous allons commencer Tétude de la chaleur rayonnante.

63. Lois de la chaleur rayonnante. — Nous pouvons tout de suite faire prévoir les résultats généraux de cette étude en disant qu'ils ressemblent en tout à ceux qu'on obtient dans l'étude de la lumière, et qui sont bien plus accessibles à Tesprit, parce qu'ils sont fournis par les yeux. Ainsi :

l^ La chaleur, comme la lumière, se propage en ligne droite. — On le montre en disposant un corps chaud, par exemple un bâton de craie rougi à la lumière Drummond, devant une série d'ouvertures égales, placées en ligne droite, et portées par une série d'écrans. Une pile thermo-électrique, de même section que les trous, manifeste une impression si elle est mise en ligne avec eux, et ne donne plus rien si elle est déviée ou si on dérange un des écrans.

2<* La chaleur, comme la lumière, traverse le vide. — Il le faut bien, puisque ces deux éléments de la vie nous viennent du soleil en traversant les espaces planétaires, que l'on sait être vides de toute matière pondérable. On peut d'ailleurs le démontrer en plongeant brusquement dans l'eau chaude un thermomètre à boule noircie, placé dans Taxe d'une enveloppe do verre dans laquelle on a fait le vide. Oh n'en voit pas moins le mercure y monter, lorsqu'il est plongé dans l'eau chaude.

3° L'intensité calorifique varie en raison inverse du carré de la distance, — On le démonire en promenant une pile thermo-électrique, munie de son cône d'admission, perpendiculairement à une plaque épaisse de fonte chauffée (fig. 63), placée sur une table et noircie par le feu.

On trouve que l'intensité du courant produit ne change

CHALEUR RAYOISNANTE.

pas quand on fait varier la distance. Quand cette dislance de\'îent double, et que la pile passe de ft à c, la portion de plaque dont le cône récepteur dirige le rayonnement sur la pile devient quadruple, puisqu'elle représente la section d'un même cône à une distance double du sommet. Mais l'équilibre se rétablit si, d'après la loi énoncée, l'intensité du rayonnement à une distance double devient quatre fois plus petite.

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Fig. 63.

4° La chaleur se réfléchit comme la lumière^ c'est-à dire que le rayon réfléchi dr' figure 64, reste dans le plan du rayon incident dr et de la normale au point ^ d'incidence, et fait avec cette normale \ un angle égal à celui que fait le rayon \ incident. On le démontre en recevant \ dans l'œil l'image, limitée par un trou \ creusé dans un écran, d'un bâton de \ craie chauffé par la lumière Drummond. \ En substituant à l'œil une pile, on constate qu'il n'y a de chaleur que là où il

y a de la lumière.

On montre encore, plus grossièrement, dans les cours, cette identité entre les lois de la réflexion de la lumière et de la chaleur, en disposant l'un en

Fig. 64.

COUnS DE PHYSIQUE.

face de Tautre, à quelques mètres de distance (fig. 65), deux miroirs concaves, placés de telle façon que la lumière d^^une lampe Drummond, placée au foyer principal de Tun d'eux, vienne faire son image sur un écran au foyer principal de Tautre. En remplaçant cet écran par un peu de coton-poudre, on le voit prendre feu.

Fig. 65.

Comme pour la lumière, cette réflexion s accompagné nécessairement d'une variation d'intensité, sur laquelle nous reviendrons bientôt. En somme, la réflexion calorifique ne nous permet pas plus l'analyse du faisceau incident calorifique que la réflexion lumineuse ne nous permet celle du rayon lumineux. Mais, pour la chaleur comme pour la lumière, nous allons trouver dans l'étude de la réfraction des résultats plus intéressants, et qui méritent de nous arrêter davantage.

5® La chaleur se réfracte comme la lumière^ et donne comme elle un spectre qui permet l'analyse du faisceau.

64. Spectre lumineux. — Pour faire cette étude de la réfraction dans les meilleures conditions possibles, il faut, à

CHALEUR RAYONNANTE. ill

l'aide d'une lentille en sel gemme, projeter sur un écraa r image nette d'une fente mince, vivement éclairée par derrière, soit par la lumière du soleil, soit avec Tare électrique. A l'aide d'un prisme placé derrière la lentille, on élargit l'image de cette fente en un spectre nuancé, dans lequel on a rhabitude de distinguer les sept couleurs qu'indique le vers :

Violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge.

Le rouge est le moins dévié, et de ce côté la teinte passe rapidement au noir qui correspond à l'absence totale de lumière dans l'obscurité. Du côté du violet, le plus dévié, la teinte est plus indécise, et le spectre visible s'étend plus ou moins loin, suivant les yeux qui le regardent.

65. Spectre calorifique. — Ce spectre lumineux a été pendant longtemps le seul connu. Mais promenons-y une pile thermo-électrique linéaire, formée d'une ligne de soudures ayantla hauteur de la bande spectrale, et assez étroite pour ne recevoir à la fois qu'une très petite portion du faisceau lumineux. En commençant par le violet, nous trouvons qu'elle reste insensible. Toutefois, avec un instrument encore plus délicat, le bolomètre, nous trouvons déjà de la chaleur dans le violet extrême et même au delà, de sorte que le spectre calorifique s'étend un peu au delà du spectre lumineux. Mais il y a peu de chaleur dans ces régions, et notre pile thermométrique ne commence à marquer quelque chose qu'en arrivant dans le bleu. L'intensité du courant qu'elle fournit augmente à mesure qu'elle se rapproche du rouge, et si on poursuit la recherche dans la région où il n'y a plus^de couleur visible, on constate que l'impression caloriflque augmente encore sur un certain parcours, passe par un maximum, et décroit ensuite* un peu plus rapidement qu'elle n'a crû, si bien que toute manifestation calorifique cesse à une distance du rouge à peu près égale à une fois et demie celle qui le sépare du violet dans le spectre lumineux. Pour nous faire une idée plus précise de cette distribution, supposons que sur une ligne horizontale AV, qui représentera

le bord supérieur de la bande spectrale, nous élevîona, en chacune des positions telles que m, occupées par la pile thermo-électrique, une ordonnée mn proportionnelle à l'intensité calorifique en ce point, cette intensité étant mesurée au moyen de la déviation, comme nous l'avons dit | 62. En réunissant les sommets de ces ordonnées par une ligne continue, nous aurons une courbe figurative de la distribution de la chakur le long du spectre. Cette courbe (fig. 66) montre

bien que le maximum B du rayonnement calorifique est en dehors du spectre lumineux RV, et se manifeste par un profil si accusé que M. Tyndall, qui Ta découvert et étudié, lui a donné le nom de Mont-Cervin de la chaleur.

Ce n'est pas tout. L'intensité calorifique que nous avons portée en ordonnée représente l'intensité moyenne sur un petit rectangle ayant pour hauteur Pépaisseur de la bande spectrale, et pour largeur l'épaisseur de la pile linéaire qui a recueilli la chaleur. Comme il en est de même en tous les points, la quantité totale de chaleur recueillie dans le spectre est égale à la somme de ces rectangles, c'est-à-dire à la surface comprise entre la courbe et la ligne ABCV. On voit que la partie ABCR de cette surface, qui a été noircie comme appartenant à la portion non lumineuse du spectre, l'emporte de beaucoup en importance sur la portion CRV qui correspond au spectre lumineux.

Concluons donc qu'à côté du spectre lumineux existe un

CHALEUR RAYONNANTE. HZ

spectre calorifique, formé en grande partie de rayons moins déviés et par conséquent moins réfrangibles que les rayons lumineux, en partie de rayons qui sont à la fois lumineux et calorifiques. On voit même, comme nous l'avons dit, ce spectre déborder un peu le spectre lumineux du côté du violet, quand on se sert du bolomçtre.

66. Spectre chimique. — Les découvertes que nous venons de faire du côté du rouge nous conduisent à chercher du côté du violet. Mais, pour bien étudier celte région, il faut, nous verrons bientôt pourquoi, remplacer la lentille et le prisme de sel gemme^ dont nous nous sommes servi pour Tétude du spectre calorifique, par une lentille et un prisme de quartz. Il est commode aussi de recevoir le spectre visible sur une feuille de papier recouverte de sulfure de calcium ou d'une autre substance phosphorescente. On voit alors le spectre se prolonger bien au delà du violet, grâce à l'émission lumineuse que provoquent en ces points, sur la substance phosphorescente, des rayons qui sans elle seraient restés invisibles. Il y a même de ces substances qui ont la propriété de rester lumineuses dans l'obscurité, quelque temps après avoir subi l'impression des rayons excitateurs, de sorte que si on couvre brusquement la fente éclairée, on a un spectre phosphorescent à peu près monochromatique, qui non seulement déborde notablement le spectre lumineux vers le violet, mais encore empiète du côté du rouge, dans des régions oii sa présence était masquée par l'éclat plus grand du spectre lumineux. On peut même voir que, comme lui, il a des raies correspondant à des lacunes dans l'éventail de rayons étalés par le prisme.

Les corps fluorescents comme le sulfate de quinine peuvent servir à manifester l'extension du spectre au delà du violet, mais comme ils s'éteignent aussitôt qu'ils ne sont plus sous l'impression excitatrice , on ne pourrait pas répéter avec eux la seconde partie de l'observation que nous avons faite ci-dessus.

Enfin, dans cette même région violette et ultra-violette, on trouve qu'il peut se produire des décompositions cliimi-

Ui COUaS DE PHYSI0U12.

ques. Ainsi, quand du chlorure d'argent est mis en contact avec une substance oxydable, papier, gélatine, matières organiques, et qu'on fait tomber sur lui un spectre lumineux, on voit que la préparation reste inaltérée dans le rouge, l'orangé et le jaune, mais qu'elle commetice à noircir dans le vert, par suite de l'oxydation de la matière organique sous Faction du chlore du chlorure d'argent et de la mise en liberté djargent finement divisé. Le temps nécessaire pour amener la bande imprégnée de chlorure à une teinte noire déterminée, va en décroissant à mesure qu'on se rapproche du violet, ce qui prouve que l'intensité d'action augmente. Le maximum est variable suivant la nature du réactif, car ici nous n'avons plus de phénomène univoque, comme à propos de la chaleur. Il y a même quelquefois deux maxima voisins. Mais au delà, il y a décroissance jusqu'à une limite qui s'étônd plus ou moins loin au delà du violet, et pour laquelle tout disparaît.

En somme, nous découvrons donc que le spectre lumineux est en partie recouvert, en partie débordé par un spectre dans lequel entrent des rayons plus réfrangibles, et qui semble préposé aux actions chimiques et aux phénomènes de phosphorescence et de fluorescence. C'est le spectre chimique ou ultra-violet^

En résumé, si nos yeux nous suffisent pour nous révéler un spectre lumineux plus ou moins étendu, ils ne nous disent pas tout le phénomène, et à l'aide de moyens appropriés, d'yeux spéciaux, nous pouvons étendre notablement, du côté du rouge et du côté du violet, le champ où se passent des phénomènes que rien ne nous autorise à mettre au second plan, sous prétexte que nous ne les voyons pas sans intermédiaires, et qui, à en juger par leur action sur le monde vivant, ont une importance au moins égale à celle des phénomènes lumineux. La vie a, en effet, autant besoin de chaleur que de lumière, et comme elle est une transformation chimique incessante, elle ne saurait rester indifférente à l'action des rayons ultra-violets. Mais nous avons t*iul d'abord à examiner les conséquences, au point de vue physique, des phénomènes que nous venons de découvrir.