AVEC SYSTKMK DE MESURE OPTIQUE

Comptes rendus de l'Académie des Sciences, t. CIII, p. 4-^5 séance du 5 juillet 1886.

Cet appareil se compose criiii arbre horizontal supporté par deux coussinets. Deux poulies assujetties aux extrémités de l'arbre servent à transmettre le mouvement du moteur à la réceptrice. Pour connaître le travail transmis, on mesure pendant le mouvement la torsion de l'arbre entre les deux poulies.

L'arbre est constitué par un tube métallique plus ou moins épais dont le canal intérieur a 8'""' de diamètre. Les extrémités du tube sont fermées par deux lames de quartz minces, taillées parallèlement à l'axe optique et donnant chacune une ditlerence de marche d'une demi-onde entre les rayons ordinaire et extraordinaire.

Un rayon de lumière monochromatique polarisée traverse l'arbre suivant son axe, et les deux lames de quartz font tourner le plan de polarisation d'une quantité invariable, même pendant la rotation de l'arbre, pourvu que celui-ci ne se torde pas; mais, si une torsion d'un certain angle se produit, le plan de polarisation du rayon émergent tournera d'un angle double. La connaissance de cet angle a fera connaître le moment de la force de torsion, si l'on a, par une expérience préliminaire, mesuré avec des poids le couple de torsion c nécessaire pour produire une rotation de i".

Le travail transmis par seconde sera T = ir^ncx^ en désignant par n le nombre de tours par seconde.

On peut facilement se rendre compte du rôle des lames d'une demi-onde. Supposons le faisceau lumineux normal au plan de la

figure et soit OP la trace du plan de polarisation primitif; après la première lame d'une demi-onde, dont l'axe est dirigé suivant OA, le plan de polarisation de la lumière est en OP', symétrique de OP par rapport à OA; après la deuxième lame d'une demi-onde, dont l'axe est dirigé suivant 01>, le plan de polarisation de la lumière est en OP", symétrique de OP' par rapport à OB. Le plan de polarisation primitif semble donc avoir tourné d'un angle POP"= 2AOB. Lorsque l'angle AOB des axes

Fis. 1.

optiques des deux lames reste constant, la dé\iation reste ellemême constante, quelle que soit la direction du plan de polarisation primitif. Mais si, à la suite d'une torsion de l'arbre, l'angle que forment entre eux les axes optiques des deux lames augmente de a, la rotation du plan de polarisation augmentera de 2a. Pour mesurer cet angle 2 a, on peut se servir de tous les procédés perfectionnés en usage dans les saccharimètres; le dispositif de M. Laurent, qui a servi dans ces premiers essais, permet de mesurer de petits angles à 3' près, même pendant la rotation; l'arbre en cuivre, de oo*"" de longueur, pouvait supporter des torsions supérieures à 10", sans qu'il y eut de défox-mations permanentes et sans que la proportionnalité de la torsion à la grandeur du couple fût altérée. L'exactitude des mesures est donc de beaucoup supérieure à celle dont on a généralement besoin dans ce genre d'expériences.

r^a sensibilité de l'appareil pour une même puissance transmise croit avec le diamèlre de ses poulies; aussi un même instrument

DYiS-AMOMÈTRE DE TRANSMISSION. 553

peut-il servir à déterminer des puissances très difl'érenles, s'il est muni de poulies de différents diamètres.

L'appareil peut également servir comme frein d'absorption : il suffit d'employer le travail transmis à produire un frottement dont on fait varier à volonté la grandeur (' ).

(') Ces premiers essais ont été faits à l'École de Physique et de Chimie industrielles.

QUARTZ PIÉZO-ÉLECTRKjUE

Extrait de la Thèse de J. CURIE.

Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 18S9, p. 392.

Description du quartz piézo-électrique.

Les méthodes que j'ai suivies pour l'étude de la conductibililé dans les diélectriques et pour celle des pouvoirs inducteurs spécifiques sont basées sur l'emploi d'un appareil que nous avons fait construire, mon frère et moi, il J a plusieurs années et qui a figuré aux séances annuelles de la Société de Physique, ainsi qu'à l'exposition d'électricité tenue à l'Observatoire en i885 ('). Je pense qu'il est nécessaire de décrire ici cet instrument et d'en exposer les propriétés avec un certain détail : d'abord parce que toutes les mesures contenues dans ce travail ont été obtenues par son intermédiaire et qu'en conséquence les méthodes employées ne peuvent être comprises qu'une fois ses propriétés bien connues ; ensuite parce que son fonctionnement est tellement régulier (jamais il n'a nécessité aucune réparation ni provoqué la répétition d'aucune expérience manquée par sa faute), qu'une fois connu il sera certainement apprécié et employé avec avantage par les physiciens dans la plupart des recherches auxquelles il peut être appliqué.

La pièce fondamentale est un quartz taillé de la façon (jui va être décrite ci-dessous et fonctionnant en vertu de ses propriétés piézo-élec triques.

(') Cet appareil a été construit par M. Bourbouze.

QUARTZ PIÉZO-KLECTKIQUE. 555

On sait que certains cristaux, ou plutôt en général tous les cristaux dépourvus de centre de symétrie, jouissent de la propriété' de dégager en certains points situés aux extrémités d'une même direction des quantités d'électricité égales et de signes contraires, lorsqu'on les soumet à des compressions ou à des tractions suivant certaines directions (' ). Le quartz est l'un de ces corps. L'abondance avec laquelle on le trou\e dans la nature, bien plus encore la pureté et la grosseur de ses cristaux imposent son choix comme préférable de beaucoup à celui de toute autre substance piézoélectrique. Concevons un parallélépipède de quartz, taillé de manière à avoir deux faces normales à l'axe de symétrie ternaire (qui coïncide avec l'axe optique); deux faces normales aux axes de symétrie binaire (lesquels joignent les milieux de deux arêtes

Axe binaire électrique

verticales du prisme e-): deux faces parallèles aux faces du prisme, et par conséquent parallèles à la fois à l'axe ternaire et à un des axes de symétrie binaire ( /?^". i).

Si l'on opère une traction (ou une compression) suivant l'axe binan-e, il se dégage aux deux extrémités de cet axe des quantités d'électricité égales et de signes contraires, proportionnelles au poids agissant et indépendantes des dimensions du parallélépipède de quartz. Nous appellerons cette direction Vaxe électrique du quartz. On a donc pour une traction dans cette direction

(') J. et P. Cl'rie, Comptes rendus, i8fio-i88i ; Journal de Physique, 1882.

556 OEUVUKS DE P. CURIE.

K étant une constante caractéristique et p le poids exerçant la traction.

Si l'on opère la traction suivant la direction de l'axe optique, l'on n'observe aucun edet électrique en aucun point du cristal.

Si l'on opère la traction suivant la troisième direction, c'està-dire perpendiculairement à l'axe optique et à l'axe électrique, on observe encore un dégagement d'électricité polaire aux deux extrémités de l'axe électrique. La quantité d'électricité dégagée est encore proportionnelle au poids agissant, mais elle n'est plus indépendante des dimensions de la plaque. Elle est proportionnelle à la longueur suivant la troisième direction, justement celle suivant laquelle on tire, inversement proportionnelle à V épaisseur suivant l'axe électrique et indépendante de la dimension suivant l'axe optique; cette quantité est donc représentée par la formule

Le coefficient K contenu dans la formule est le même que celui de la formule précédente.

Il en résulte qu'en donnant au parallélépipède une longueur suffisante suivant la troisième direction, une épaisseur très faible suivant l'axe électrique, on obtient des plaques de quartz dégageant des quantités d'électricité par traction suivant la troisième direction bien plus considérables que celles qu'elles auraient pu dégager j)ar une traction égale faite suivant l'axe électrique.

Au point de vue pratique, on peut avoir facilement des cristaux de quartz bien purs fournissant des plaques dont la longueur est égale à une dizaine de centimètres. En leur donnant une épaisseur égale à o""", 5 suivant l'axe électrique et une largeur égale à 2*^'" suivant l'axe optique, on peut observer des tractions montant jusqu'à 5''^, tout en pouvant constater avec l'électromètre l'action de poids de o^', 5.

On possède donc un instrument capable de dégager des quantités d'électricité proportionnelles aux poids et variables depuis i jusqu'à loooo.

En se reportant à la mesure absolue de la constante piézoélectrique du quartz, que nous avons publiée, mon frère et moi,

QUARTZ PIEZO-ELECTRIQUE.

il y a quelques années, on voit que K = 0,062 {p étant exprimé en kilogrammes et q en unités absolues électrostatiques C. G. S ( ' ). On se procure donc facilement des lames dégageant une unité absolue C.G.S. électrostatique pour \^^ de traction.

Pour recueillir l'électricité, on rend conductrices les deux faces de quartz normales à l'axe électrique, en les argentant ou simplement en collant dessus deux feuilles d'étain. L'une des faces est

Fig. 2.

Quartz piézo-électrique.

reliée constamment à la terre; l'autre est mise en communication avec l'électromètre.

La longueur / contenue dans la formule est la distance des deux points a et a' .

L'une des extrémités de la grande longueur du quartz est fixée

( ' ) La constante piézo-électrique en unités absolues C.G.S. (lorsque p est exprimé en dynes) est égale à 6,3i x io~*.

OEIVRKS DE l>. CIRIK.

par une épaisse lame d'étaiu, à la lois lorte et souple, à une traverse métallique qui lui permet de pendre dans l'espace. La partie inférieure supporte un plateau destiné à recevoir les poids tenseurs. Le tout est enfermé dans une cage métallique dont l'inté-

rieur est bien desséché et où sont ménai;ées de petites ouvertures par lesquelles passent :

i" Latéralement, des tiges conductrices tenues sur des pieds intérieurs en ébonite et permettant de relier les faces du quartz à l 'électromètre;

QUARTZ PIÉZO-ÉLECTKIQUE. SdQ

a" A la partie inférieure, une tige à crochet où pend le plateau des poids tenseurs.

La figure 3 permet, du reste, de se rendre compte de la disposition générale de l'instrument (').

Cet instrument peut être employé pour divers usages : en particulier, pour la mesure des capacités, des pouvoirs inducteurs spécificjues, des conductibilités faibles et des forces électromotrices. On s'en sert, en général, en disposant les expériences de manière ;i maintenir l'image de l'électromètre au zéro. L'électromètre ne fonctionne plus alors que comme électroscope. Je décrirai plus loin l'emj)loi de cet appareil |)our la mesure des pouvoirs uKJucteurs et pour celle de la conductibilité des diélectriques i -).

i/ ) On voit à 1,1 |>,irtie iaférieure de la figure 3 un dispositif employé par J. Curie, qui lui permettait de faire couler lentement du mercure dans un cristallisoir placé sur le plateau de l'instrument, de faire ainsi varier d'une façon continue la charge du quartz, et par suile de compenser à chaque instant l'apport d'électricité dû à la conductibilité des corps qu'il étudiait. {Note des éditeurs.)

(-) Le quartz piézoélectrique de J. et P. Curie a été construit, dès 1890, par ia Société centrfile de Produits chimiques.

La figure 4 indique comment a été réalisé le premier appareiL La lame de quartz {^g. 5 ) est placée dans une enceinte métallique desséchée. Un commutateur et un levier servent à soulever le plateau et les poids lorsqu'on veut déterminer la constante de l'instrument.

A cet effet, on cherche le poids nécessaire pour dégager la quantité d'électricité condensée dans un condensateur absolu de capacité connue, chargé à une différence de potentiel connue. La figure 6 donne le schéma de l'expérience.

La face utilisée du quartz électrique gel communique avec l'électromètre e, avec la première armature du condensateur .M, enfin, avec un commutateur c'.

1° On charge la deuxième armaiure du condensateur avec l'étalon P, de force électromotrice connue, par le jeu du commutateur c, la première face du condensateur étant à la terre en c' (on opère généralement dans de bonnes conditions, en employant pour P de 10 à i5 volts à l'aide d'éléments Gouy, Latimer-Clark ou Daniell );

2° On isole le condensateur et le quartz en c' ;

3° On décharge en c le condensateur en même temps qu'on supprime brusquement la traction exercée jusque-là sur le quartz.

Pour faire l'opération précédemment décrite, on unit alors la pile P à la borne marquée de cette lettre sur le conin)utateur de l'appareil. On met la face du quartz en relation avec la borne marquée g et on l'unit en même lemps à la première face du condensateur et à l'électromètre; on unit enfin la seconde face du condensateur à la borne marquée c. Le jeu du commutateur se comprend facilement : l'une

œuVRES DE p. rUIUE.

des lames nouantes est conslaminent en relalion avec la deuxième face du condensateur ; l'autre lame flottante est constamment en relation avec la terre par l'axe de rotation; enfin, le levier qui soulève le plateau et les poids est mis en action au moment voulu quand on fait tourner cet axe avec la manette. En faisant quelques essais successifs, on détermine le poids nécessaire pour que l'image de

: ruj^.

l'électromètre reste immobile. Le poids qu'on clierclie est celui placé dans le plateau auquel on ajoute le poids du plateau et du crochet.

Les auteurs signalent, dans la Notice d'où nous avons extrait les lignes précédentes, les applications suivantes de leur quartz piézo-électrique :

1° Vérification des lois du dégagement piézo-électrique de l'électricité; 2° Mesure des pouvoirs inducteurs spécifiques des diélectriques; ?," Mesure de la conductibilité des corps très mauvais conducteurs ; 4° Mesure des phénomènes piézoélectriques et pyro-électri(]ues des corps présentant ces propriétés:

5° Mesure de toute charge électrique sur un corps isolé ;

QUARTZ PIÉZO-ÉLECTRIQUE. 56 I

6° Comparaison des forces clectrornolrices ; élude des variations d'un élément

lia. 5.

étalon, la constante du quartz n'étant mndiliée ni par le temps, ni par la température. (J. et P. Clrie, Journal de Physique, 1882. — J. Curie, Anna/es de

Fi;,'. 6.

Physique et de Chimie, 1889, et Lumière électrique., 1888. — Mallard, Traité de Cristallographie. — Soret, Traité de C ristallo graphie. )