•       Quand j’étais petit gosse, je m’étais passionné pour Jules Vernes et ses romans, qui n'intéressent plus les jeunes aujourd’hui car la science a fait trop de progrès.
        Une aventure m’avait frappée dans un de ses romans Michel Strogoff, qui lorsqu’on lui passe devant les yeux pour le torturer et le mettre hors d’état de remplir sa mission, la lame d’un sabre chauffée au rouge, est sauvé de l’aveuglement grâce aux larmes qui lui viennent en pensant à sa mère… Mon grand père m’avait expliqué que la vaporisation progressive des gouttes de larmes avaient suffisamment fait baisser la température au niveau de la cornée et que c’était peut être possible (à condition qu’on ne laisse que très peu longtemps  le sabre devant les yeux).

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/calefaction.jpg

        Comme sans doute vous tous, j’ai mis sur la cuisinière très chaude de ma mère des gouttes d’eau (aujourd’hui sur une plaque électrique). et elle se met à tourner sur elle même et à se promener presque sans frottements, comme un aéroglisseur sur le coussin de vapeur qu’elle produit et si on arrive à la piéger, il est possible d’observer des vibrations dans la goutte, qui lui donnent des formes spectaculaires.
        Et quand deux gouttes se rencontrent, soit elles rebondissent, soit elles fusionnent et la goutte formée entame une ronde sur elle même.
        J’ai même fait la bêtise au lycée de mettre sur une plaque de métal une goutte d’azote liquide, ce qui, compte tenu de la différence de température encore plus grande, est encore plus spectaculaire.
        Ce phénomène, peut être le savez vous, s’appelle la “caléfaction”  (du latin calefacere : chauffer).
        J’avoue que, dans ma jeunesse j’aurais aimé avoir des explications sur ces phénomènes.

        Il m'arrive d'avoir des contacts avec des chercheurs et aussi avec des élèves d'écoles d'ingénieurs ou scientifiques et en particulier certains de l'Ecole Normale Supérieure de la rue d'Ulm, à Paris.

        Il y a dans cette école des travaux pratiques extraordinaires.
        Vous avez une semaine seulement pour les faire et il vous faut choisir un sujet peu connu et  absolument apporter quelque chose de plus, de nouveau.
        Bien sûr vous choisissez à l’avance, vous réfléchissez à ce que vous allez faire, vous rassemblez le matériel nécessaire, vous pouvez faire des calculs théoriques.
        Mais faire du nouveau sur un sujet pointu en 5 jours, c’est extrêmement difficile.
        Bien sûr on ne trouvera pas des choses révolutionnaires en 5 jours et cela ne servira pas pratiquement beaucoup. Mais ce n’est pas le but : l’objectif est de vous former à la recherche et pas à chercher, mais à trouver.    
        Il faut essayer de faire une théorie, de prévoir les résultats de ses expériences, puis de les réaliser, de critiquer les modes opératoires, les hypothèses et approximations faites, d’apprécier la précision des mesures par des calculs d’erreurs et d’en tirer des conclusions sur l’explication et les lois des phénomènes        
       Et j’ai trouvé cela passionnant.

        Pour l’un de leurs TP ils avaient choisi d’étudier ce phénomène de caléfaction.
           
        Ils filmaient avec une caméra des gouttes de diverses dimensions en mouvement, mesuraient  la décroissance de leur diamètre par évaporation ainsi que l’épaisseur de la couche de vapeur.
        Ils ont étudié le rebond sur des parois ou les chocs des gouttes entre elles et ils les ont même mises sur une plaque vibrante.
        Je ne vais pas vous entraîner dans leurs calculs et leurs expériences rassurez vous.
        Juste quelques photos :

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/goutte.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/crepe.jpg

        Ils ont montré que les petites gouttes étaient presque sphériques, alors que les gouttes plus grosses prenaient la forme aplatie d’une galette presque circulaire, et d’épaisseur presque constante.
        Et sur la plaque vibrante les petites gouttes sphériques prennent la forme d’étoiles dont le nombre de branches est d’autant plus grand que la goutte est plus importante tandis que les grosses gouttes galettes ont des bords dentelés et une surface rugueuse comme sur la figure ci-dessous.

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/calefaction-copie-1.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/Telerama30002.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/Telerama30001-copie-1.jpg
       
        J’ai assez bien compris leur étude physique et mathématique et au fond, ils ont réalisé une de mes aspirations d’ado : comprendre la caléfaction des gouttes d’eau que je m’amusais à faire danser sur la cuisinière de maman, qui n’était pas très contente de ce jeu, car elle avait peur que je me brûle !

     

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  •     Ce n'est pas un vélo en fibres de carbone comme pour les coureurs du Tour. !

        Vous allez sûrement vous rappeler des cours de chimie de première et de terminale sur le carbone.
    Il existe couramment deux variétés le diamant qui a une structure pyramidale d’arrangement des atomes, chacun étant lié aux quatre atomes voisins, ce qui lui confère ses qualités extraordinaires notamment de dureté, et le graphène,dont la structure est hexagonale et plane, chaque atome étant lié à trois autres, et ces structures planes s’empilent les unes sur les autres, sous forme de carbone graphite, d’où sa friabilité et sa conductivité électronique (la force de liaison entre structures hexagonales est faible - 2% de celles dans l’hexagone - et ces hexagones glissent donc facilement les uns sur les autres).
        C’est le graphite qui est la variété stable dans les conditions normales de température et pression, le diamant n’étant que métastable dans ces conditions et sa formation nécessitant des températures et pressions très élevées.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Diamondandgraphite.jpg

     Savez vous ce qu'est le cycle-carbone ?   Le graphène peut de mettre sous forme de nanotubes, les plans des hexagones prenat la forme d’un cylindre.Ces nanotubes ne sont constitués que d’un seul « plan » enroulé sur lui même et donc de l’épaisseur d’un atome de carbone, mai leur longueur peut atteindre le millimètre.
    Il existe aussi des nanostructures composées de plusieurs couches hexagonales de carbone, fermées sur elles-mêmes, de forme polyèdrique avec une cavité au centre.

        En outre il existe des formes amorphes de carbone, désordonnées, mélange de graphite hexagonal et de diamant pyramidal.

        De plus on peut avoir du carbone liquide à haute température et pression (11Mpa et 4800 d°) ou gazeux (4100 d°C sous la pression atmosphérique. Il se condnse en se refroidissant sous forme de petites chaines d’atomes appelées carbyles, qui de lient sous forme de plaques ou de sphères pour composer la suie. Cette forme spéhérique compée de 20 à &00 atomes est appelée fullerène et a été explicitée dans les années 1985.

        Les chercheurs avaient alors par le calcul , montré que le carbone devait pouvoir également se structurer selon un cercle de 18 atomes, reliés entre eu par des liaions doubles de chaque coté, ou triple et simples. Mais cette structure est instable et personne n’avait pu la synthétiser.
    Une équipe de chercheurs suisses d’IBM et d’Oxford au Royaume Uni, ont enfin réussi à créer cet anneau, sous un vide poussé et à -268 d°C. Ils sont passé par une forme contenant 24 atomes de carbone et 6 oxygène , qu’ils ont déposé sur une couchede chlorure de sodium déposé sur une plaque de cuivre.Puis, ils ont extrait six molécules d’oxyde de carbone CO, en utilisant la pointe d’un microscope électronique (voir le schéma ci-dessous) :

    http://lancien.cowblog.fr/images/anneaucarbonepur.jpg
        
Les atomes de ce cyclo-carbone sont liés alternativement par des liaisons simples et triples, et il est semi-condusteur.
    Ses propriétés vont être étudiées, puis il faudra essayer de produire des assemblages de molécules pour pouvoir leur trouver une utilisation pratique.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/cyclo18carbon219thumb.jpg

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  • Pourquoi la mer est elle bleue le ciel aussi le jour et noir la nuit?

               Lorsqu’on est en vacances au bord de la mer, on vous pose des questions saugrenues, très terre à terre : Pourquoi la mer est elle bleue, pourquoi le ciel est il bleu, pourquoi le ciel est il noir la nuit ???
              Ce n’est pas toujours s simple que cela d’y répondre.

     Pourquoi la mer est elle bleue ?

              Effectivement l’eau est transparente, alors pourquoi celle de la mer est elle bleue ? Il y a plusieurs raisons :
              D’abord le reflet du ciel dans la mer : quand il fait beau la mer est bleue; quand le ciel est gris, la mer est vert-gris; les vagues rajoutent de petits moutons blancs dus au vent.
              Mais une autre raison, en fait plus importante,  est due au soleil qui diffuse une lumière blanche, en réalité composée de tout un spectre de couleurs c’est à dire de photons d’énergies diverses, les plus énergiques étant ceux qui correspondent au violet et au bleu).
              L’eau de la mer ne réagit pas de la même façon à tous le photons : elle va davantage absorber les photons de moindre énergie, c’est à dire les rouges, jaunes, oranges et elle absorbera moins les photons correspondant au bleu.
              Ceux-ci seront donc davantage réfléchis ou diffusés, et donc ce n’est pas l’eau qui est bleue, mais la lumière qui est diffusée et réfléchie par sa surface.
              Plus l’eau est profonde, plus la mer est bleue, car ce sont les seuls photons peu absorbés.
              Mais comment expliquer que la mer puisse être gris-vert, par temps moins beau. En fait l’agitation due au vent et à la tempête perturbe la réflexion et la diffusion des photons et des matières diverses sont « remuées » et mises en suspension.
              Par ailleurs si l’eau est calme et très transparente, la couleur du fond proche peut influer sur la couleur apparente de l’eau, le sable la faisant paraître gris-jaune, des algues pouvant donner l’impression d’une eau verte, voire rouge due à des microorganismes dinoflagellés ou turquoise, due à certains phytoplanctons. Les photons bleus sont alors absorbés et c’est la chlorophylle qui donnera la couleur verte.
              Vu des satellites, c’est l’océan profond qui prédomine est compte tenu de la grade surface des océans la terre est « la planète bleue ».

    Pourquoi le ciel est il bleu ?

              Là encore l’air est invisible et transparent et donc le ciel bleu est encore un effet d’optique dû à la lumière solaire.
              Celle-ci est diffusée par les molécules d’azote et d’oxygène, qui sont très petites par comparaison à la longueur d’onde de la lumière diffusée. (je rappelle que la longueur d’onde associée à une lumière est inversement proportionnelle à l’énergie des photos correspondants).
              Or d’après la loi de Rayleigh, la diffusion est inversement proportionnelle à la  longueur d’onde à la puissance 4, c’est à dire proportionnelle à l’énergie à la puissance 4 des photons.
             La diffusion des photons rouges, orange, jaune est très faible vis à de celle des photons bleus plus énergétiques et donc la mer paraît bleue.

     Pourquoi le ciel de nuit est il noir ?

              On pourrait croire que vu les milliards d’étoiles, le ciel devrait être lumineux la nuit. Pourtant il n’en n’est rien, il est noir piqueté des points brillants que constituent les étoiles, et cela à longtemps intrigué les scientifiques, notamment Kepler ou Halley aux 17ème et 18ème siècles.
              Une première raison est due à l’énorme éloignement des étoiles, c’est à dire aux dimensions de l’univers.
              Une étoile lointaine émet dans toutes le directions et plus elle est éloignée, plus la proportion de lumière qui atteint la terre est faible, infime par rapport à celle qui nous vient du soleil. (le flux lumineux décroit comme le carré de la distance).
              Par ailleurs les étoiles ont une certaine durée de vie et certaines ont donc disparu.
              La vitesse de la lumière est finie (300 000 km/s), et donc il est possible que la lumière de nombreuses étoiles ne nous soit pas encore parvenue, tout dépend de la distance à laquelle elles sont et de la date de leur création.
              Ainsi, le noir que nous observons sur le fond cosmique est rempli d’étoiles dont la lumière n’a pas atteint la Terre, ou ne l’atteint plus…

              De plus l’univers n’est pas infini : il est né, selon la théorie du « big bang », il y a environ 13 milliards d’années et donc on ne peut rien voir au delà de 13 milliards d’années-lumière de distance, puisque au delà de cette distance aucune lumière n’était émise. Toutefois l’univers est en expansion, de telle sorte que ses limites sont plus importantes que cette distance et on suppose qu’il atteint environ 80 milliards d’années-lumière (8 X10 puissance 23 km).
            Néanmoins, même très grand, le nombre d’étoiles est donc limité et la lumière qu’elles émettent aussi.

               On a toujours des difficulté à se représenter cet univers, car ce n’est pas possible en trois dimensions, dans notre espace euclidien), mais il faut utiliser un espace plus complexe , celui de la relativité générale, où le temps est aussi une dimension,. On peut dans un tel espace où l’on peut continuer son chemin sans jamais rencontrer d'obstacle ou de point d'arrêt et que l'on peut explorer dans leur totalité en un temps fini, en se retrouvant au point de départ et donc cette univers ne présente pas de limite, comme le fait une sphère dans l’espace euclidien.

               De plus en raison de cette expansion de l’univers, la lumière subit l’effet Döppler du fait de la composition des deux vitesses. La lumière en provenance des étoiles est ainsi décalée vers le rouge, ce qui a permis de confirmer les théories d’expansion de l’univers, mais diminue également la lumière perceptible émise par celles-ci.


     On voit que contrairement aux raison simples qui expliquent le bleu du ciel et de la mer, la couleur noire du ciel la nuit est un phénomène très complexe.

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  •                Les lampes à filament consomment trop d’énergie et on a donc cherché à les remplacer par des lampes utilisant d’autres procédés.  
                   Une première solution a été de miniaturiser les tubes fluorescents « néons » allongés, en leur donnant une forme de spirale, ou en les repliant plusieurs fois sur eux mêmes, pour réduire leur volume et se rapprocher du format des lampes à filament. C’est un tube de verre allongé qui contient du mercure à l’état gazeux sous basse pression, mélangé à un gaz rare inerte tel l’argon.

                  Des électrodes se trouvent aux deux extrémités du tube et une décharge électrique excite les atomes de mercure. Les électrons qui sont ainsi excités reviennent à l’état normal en émettant de la lumière ultraviolette. Celle ci va exciter à son tour, les électrons d’une poudre fluorescente déposée sur les parois du tube, et ces électrons vont revenir à l’état initial en émettant cette fois, de la lumière dans le spectre visible 
                   L’appellation « tube néon » est en fait erronée, car des tubes avec du gaz néon sont utilisés, mais la lumière émise lors de la décharge est rouge et n’est pas assez énergique pour entrainer la fluorescence d’autre substances. Le mercure est un métal toxique et ces tubes ne peuvent être mis aux ordures et doivent être traités comme des déchets

    Lampes fluorescentes et leds.

    Lampes fluorescentes et leds.               

     

     

     

     

                  Dans le support du tube classique, un transformateur génère une tension continue qui est ensuite hachée pour produire une tension haute fréquence (environ 10 000 hz). De plus un condensateur se charge et permet d’amorcer les décharges en élevant brutalement la tension et une système électronique limite cette décharge. Cet ensemble électronique est appelé « ballast ». Les électrodes des deux bouts du tube, ainsi alimentées créent un champ électrique qui va attirer les électrons de la cathode vers l'anode. Pour produire ces électrons, deux filaments de tungstène sont chauffés près de la cathode. Le démarrage du tube n’est pas immédiat car il faut chauffer les électrodes pour qu’elles émettent les électrons.
                 Ceci nécessite l’intervention d’un « starter »(à droite sur la figure ci-dessus). C’ est un petit tube rempli de gaz, muni d'un contact (bilame). Lors de la mise sous tension, un arc électrique se produit entre les lames du bilame, et l’échauffe : les lames déformées se touchent, le contact se ferme et l'arc électrique disparaît. Le courant qui passe alors permet le préchauffage des électrodes du tube. Au bout d'une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact s'ouvre, coupant ainsi le courant du circuit. Le ballast crée alors une surtension qui amorce le tube.
                La tension aux bornes du tube diminue et rend impossible l'amorçage du starter jusqu'à la prochaine mise sous tension. Les amorçages se font alors spontanément à la fréquence imposée par le ballast. La consommation est moindre qu’en début de chauffe et d’amorçage.  
                Les lampes fluorescentes actuzllzsont un fonctionnement analogue au tube allongé, mais leur tube est replié sur lui même ou en spirale.

    Lampes fluorescentes et leds.

      Lampes fluorescentes et leds.         

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Lampes fluorescentes et leds.             Elles ont un meilleur rendement en lumière (60 à 70 lumens par watt), que les lampes à filament de tungstène (15 à 25 lumens par watt).
                 Par contre elles sont beaucoup plus onéreusesElles contiennent du mercure et ne peuvent donc être mises aux ordures, et produisent des ultraviolets, ce qui n'est pas bon pour les yeux.
                 Elles devraient avoir une vie beaucoup plus longue que les lampes à filament, mais ce n’est pas toujours le cas et je connais plusieurs personnes qui ont eu des durées de vie relativement faible de ces lampes, ce qui est alors prohibitif au plan financier. Il semble en particulier qu’elles résistent mal lorsqu’elles sont allumées et éteintes très souvent, de façon répétitive.
                Par ailleurs, le temps d’attente avant d’avoir la lumière est assez désagréable, voire gênant dans certains cas

                 Quelques mots des leds, qui vont peu à peu remplacer les lampes à fluorescence. Là encore on devrait avoir de grandes longévités, mais on n’a pas assez de recul pour le contrôler. Elles sont encore chères, mais les prix baissent régulièrement du fait de la demande importante.
Elles consomment environ 10 fois moins que les lampes à filament et deux fois moins que les lampes fluorescentes.(de 20 à 200 lumen/watt).

    Lampes fluorescentes et leds.

               

     

     

     

     

                 La lumière émise est relativement ponctuelle.
                Ce sont des diodes, des semi-conducteurs fabriqués à partir de l’empilement de couches de différents matériaux et d’épaisseurs différentes qui ne conduisent l’électricité que dans un sens, et la transition d’un électron s’accompagne de l’émission d’un photon lumineux. 
                Ce semi conducteur est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone).
                Cette lumière est relativement monochromatique et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière visible de plus large spectre.
    

             La fabrication de diodes avec des matériaux et des épaisseurs différentes permet de créer des diodes émettant des lumières d’une couleur donnée.

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  •  Bientôt plus de filament pour nous éclairer !Bientôt plus de filament pour nous éclairer !

     

     Nous avons tous utilisé de nombreuses ampoules à filament de tungstène, qu’elles soient à culot à vis ou à baïonnette. Elles disparaissent peu à peu des magasins.
                  Elles on fait de la résistance car les lampes fluorescentes qui devaient les remplacer étaient de mauvaise qualité, mais, comme on en achète moins, elles sont devenues plus chères.

                 Les lampes leds, à peine plus chères, très résistantes et consommant beaucoup moins vont les remplacer.

     
    Les lampes à filament sontt un produit très simple : le filament de tungstène est conducteur d’électricité, mais il possède un résistance électrique.
                  L’intensité du courant électrique produit de l’énergie sous forme de chaleur dans le fil, (rappelez vous vos cours de physique w = R x I2 ou V2/R, I étant l’intensité et V la tension), qui chauffe donc et à une température suffisamment élevée, il émet de la lumière visible et infra-rouge.
    La lampe transforme donc l’énergie électrique en lumière et en chaleur. 
                 Mais sous l’effet de la chaleur des atomes de tungstène s’échappent du fil et la vapeur de tungstène va se déposer sur le verre de l’ampoule qui noircit, et le diamètre du fil diminuant, il finit par se casser.
    L’avantage de ces lampes était leur simplicité, donc leur faible coût, et la possibilité d’avoir des puissances suffisantes pour des éclairages importants, mais l’inconvénient était leur consommation importante (le plus souvent entre 60 et 150w)
     
    Deux perfectionnements sont intervenus successivement : d’abord un renforcement de la lumière par fluorescence de gaz, et les lampes halogènes.
    En mettant certains gaz dans l’ampoule, les électrons périphérique de leurs atomes s’excitaient sous l’effet de la lumière et ils revenaient à leur état normal en émettant davantage de lumière dans le spectre visible. On avait donc davantage de lumière (en lumens) pour une consommation électrique donnée (en watts).
    Les lampes halogènes sont aussi des lampes à filament de tungstène, de résistance plus élevée, mais l’ampoule au lieu d’être en verre, est en quartz, qui supporte une plus haute température. On peut donc chauffer davantage le filament, qui produit donc plus de lumière pour une même consommation (environ 20 à 30%).
    Mais le fils de tungstène se détruirait assez vite. Pour l’éviter, on remplit l’ampoule de gaz halogènes (brome et iode), et les atomes de tungstène sublimés vont se combiner à l’halogène et, au refroidissement se redéposer sur le fil. L’usure est donc moindre.
    En outre dans des projecteurs directifs, on met derrière l’ampoule de forme cylindrique allongée, un réflecteur qui renvoie la lumière vers l’avant. On produit ainsi alors entre 50 et 80% de plus de lumière qu’une ampoule classique, pour la même puissance consommée.
    Les lampes halogènes ont en outre l’avantage de pouvoir supporter un variateur de tension qui permet de faire varier l’intensité lumineuse de la lampe. Mais elles consomment plus que ls lampes fluorescentes ou les leds dont je parlerai dans mon prochain article.
     

    Bientôt plus de filament pour nous éclairer !

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