Sur l écoulement du mercure par les fils de cuivre étamé d après les expériences de M. A. Tcherniawsky

Transcription

1 Sur l écoulement du mercure par les fils de cuivre étamé d après les expériences de M. A. Tcherniawsky A. Jaubert de Beaujeu To cite this version: A. Jaubert de Beaujeu. Sur l écoulement du mercure par les fils de cuivre étamé d après les expériences de M. A. Tcherniawsky. J. Phys. Theor. Appl., 1913, 3 (1), pp < /jphystap: >. <jpa > HAL Id: jpa Submitted on 1 Jan 1913 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

2 706 SUR L ÉCOULEMENT DU MERCURE PAR LES FILS DE CUIVRE ÉTAMÉ D APRÈS LES EXPÉRIENCES DE M. A. TCHERNIAWSKY (1); Par M. A. JAUBERT DE BEAUJEU. La publication des expériences de M. A. Tcherniawsky sur l écoulement du mercure à travers les fils de cuivre étamé (2) m engage à publier les résultats que j ai obtenus dans la même voie et d une façon tout à fait indépendante (3~. A la vérité mes expériences ne sont pas encore terminées, car elles sont très longues à réaliser. Ce que je dirai ici sera la transcription de quelques notes inscrites au cours de mes expériences et qui indiquent quelques particularités non encore signalées par M. Tcherniawsky. Voici l expérience fondamentale et quelques conclusions de M. Tcherniawsky. «Au cours de recherches faites au laboratoire de Physique de (&enève, dans le courant de l année 1910, MM. C.-E. Guye et S. Ratnowsky avaient signalé un curieux phénomène de transport du mercure dans les conditions suivartes : Pour compléter un circuit électrique, deux godets de mercure placés à des niveaux différents avaient été reliés par un fil de cuivre étamé recouvert d une co.uche de caoutchouc. Peu de temps après, on put constater que le mercure passait à travers le fil du godet supérieur dans le godet inférieur comme par un siphon. Dans ce travail, nous nous sommes proposés d étudier las cause et la marche du phénomène. La couche isolante qui recouvre le cuivre étamé ne paraît indispensable au phénomène qu en empêchant l oxydation de l étain et en permettant ainsi à l amalgamation de se propager peu à peu tout. le long du fil. L écoulement du mercure est dans les limites données (jusqu à 650 millimètres de mercure) indépendant de la pression exercée sur le mercure; il en résulte que l action hydrodynamique ne doit pas être prise en considération dans l explication de l écoulement du mercure entre le fil et l enveloppe et que les actions capillaires, chimiques ou de diffusion, doivent seules être invoquées. (1) Communication faite à la Société française de Physique : Séance du 4 avril f913. ( ) A?.ch. des Sciences physiq. et nat., Genève, juillet (3) Je n ai eu connaissance de ces expériences qu en février Article published online by EDP Sciences and available at

3 Pour que l écoulement puisse se produire, il l étain soit amalgamé.» 707 est nécessaire que i Ma première observation date de la fin de l année 1909, où je reconnus par hasard que le mercure s écoulait à travers un câble formé d un faisceau de fils de cuivre étamé, entouré d une couche de caoutchouc, comme à travers un siphon. Je fis aussitôt quelques expériences d essai en employant un câble le mercure nu, un fil de cuivre étamé nu, qui me confirmèrent que avec un fil de s écoulait par les fils de cuivre étamé. Une expérience cuivre pur ne montra aucun écoulement ; il fallait donc attribuer à l étain le rôle de conducteur du mercure. Ces expériences un moment abandonnées furent reprises fin 1910 et continuées sans interruption depuis ; 2 Ces phénomènes de pénétration du mercure dans l étain, le plomb et dans d autres métaux, ainsi que l effet siphon sont connus depuis longtemps. Daniell (4), en 1830, signale la pénétration du mercure dans l étain et la formation de petits cristaux d amalgame. Horsford (2) modifia l expérience de Daniell et constata l effet siphon, c est-à-dire l écoulement du mercure à travers des lames d étain et de plomb recourbées en forme de siphon et plongeant dans une éprouvette contenant du mercure. Horsford vit que l amorçage se produisait spontanément et que l écoulement était vite arrêté par suite de la formation d un amalgame qui rend le métal cassant et le fendille. Le métal se dissout aussi dans le mercure et l expérience s arrête. On peut très facilement reproduire ces expériences avec des fils de plomb, d étain ou un alliage de plomb et d étain. Il semble que les phénomènes observés sur le cuivre étamé ne le cuivre soient qu un cas particulier des phénomènes précédents, servant simplement de support à l étain et l empêchant ainsi de se casser, de se fendiller et de former une solution de continuité. 3 Le dispositif que j emploie est représenté sur la Le mercure est contenu dans une petite éprouvette cylindrique dans laquelle plonge un fil de cuivre étamé recourbé en siphon; la branche libre était en général à un niveau plus élevé que le fond de l éprouvette. ~i~ POGGENDORF 20; American of Science, 13 ; i 8~?.

4 708 Plusieurs cas peuvent se présenter. a) L extrémité de la branche extérieure du siphon est libre et le niveau du mercure dans l éprouvette est à une certaine distance h au-dessus de cette extrémité (fig. 1); dans ce cas, l écoulement se produit spontanément au hout d un temps plus ou moins, long, et il continue jusqu à ce que le niveau du mercure dans l éprouvette vienne à une distance h, au-dessus de l extrémité du siphon (fig. 2), le niveau du mercure dans l éprouvette viendra au maximum sur le même plan horizontal passant par cette extrémité alors h.- o, mais ne descendra jamais au-dessous de ce plan; en général la distance h n est pas nulle, cette distance h caractérise la position d équilibre du système. FIG. 1. FIG. 2. Des expériences instituées pour voir de quoi dépendait cette distance h n ont pas encore donné de résultat. b) Au début de l expérience, l extrémité libre du siphon est à une distance h" au-dessous de la surface libre du mercure égale à h, inférieure à nulle (fis. 3), et à plus forte raison si cette extrémité libre est au-dessus de la surface du mercure : aucun écoulement ne se produira, bien que l amalgamation semble s effectuer sur toute l étendue du fil étamé. c) L extrémité du siphon plonge dans une seconde éprouvette contenant du mercure à un niveau différent de la première. L expérience montre que le mercure passe de l éprouvette qui contient le mercure au niveau le plus élevé dans l autre et que l écoulement continue jusqu à ce que les deux niveaux viennent sur le même plan horizontal 4). L écoulement se produit plus rapidement dans ce cas que si l une des branches était libre.

5 Ecoulement Dans 709 d) L écoulement se produit avec des fils de cuivre étamé de tous les diamètres possibles, qu ils soient nus ou recouverts de substance isolante. La maison Grammont m a fabriqué des fils de cuiv re étamé de Omm,3, omm,29, O n-,28 de diamètre ; les expériences réussissent aussi bien qu avec les fils de plus fort diamètre, mais elles sont très longues. FIG. 3. FIG. 4. ~ Pour M. Tcherniawsky, l écoulement du mercure est indépendant de la pression exercée sur le mercure ; il en résulte, dit-il, que l action hydrodynamique ne doit pas être prise en considération dans l écoulement du mercure entre le fil et l enveloppe et que les actions capillaires chimiques ou de diffusion doivent seules être invoquées. Dès le début de mes expériences, j avais envisagé une manière de voir un peu différente. Cette opinion est basée sur les faits suivants : 1..- Amorçage spontané; - II. jusqu à ce que le niveau du mercure dans l éprouvette descende au maximum sur le même plan horizontal que l extrémité libre du siphun ; - III. le cas de deux éprouvettes reliées par un fil de cuivre étamé, passage du mercure de celle qui contient le mercure au niveau le plus élevé dans l autre, jusqu à ce que les deux niveaux viennent sur le même plan horizontal. Comme M. Tclierniawsky, j admets que la première partie du phénomène, c est-à-dire l amorçage spontané, est dû à un phénomène capillaire et chimique qui produit l amalgamation, ce phénomène pouvant du reste avoir lieu sans qu il s ensuive écoulement; par exemple si la branche libre a son extrémité au-dessus du niveau du mercure dans l éprouvette. Il reste les faits 11 et III à expliquer, et c est là qu il faut faire

6 710 intervenir les lois de l hj,drodynamique : pourquoi, dans le dispositif que j ai employé, le mercure ne s écoule-t-il pas en entier hors de l éprouvette? Pourquoi le niveau dans l éprouvette s arrête-t-il à une certaine hauteur au-dessus de l extrémité libre du siphon? Dans le cas de deux éprouvettes, pourquoi les deux niveaux viennent-ils sur le même plan horizontal? Les faits Il et III se retrouvent dans les expériences élémentaires sur les siphons ordinaires : a) Avec un siphon amorcé dont l extrémité est libre et au-dessus du fond du vase, l écoulement du liquide se produit jusqu à ce que le niveau du liquide dans le vase soit sur le même plan horizontal que l extrémité du siphon; b) Si un siphon réunit deux récipients contenant un liquide à des niveaux différents, une fois le siphon amorcé, le liquide s écoule jusqu à ce que le niveau soit le même dans les deux récipients, à condition bien entendu d employer un dispositif convenable; ces faits sont identiques à ceux observés pour le mercure et les fils de cuivre étamé, on peut les expliquer ainsi : L amalgamation produit une chaîne liquide ininterrompue et, lorsqu elle a atteint l extrémité libre du fil de cuivre recourbé en siphon, l écoulement se produit comme pour les siphons ordinaires, d après les lois de l hydrodynamique, et l on voit bien que cet écoulement ne sera possible que si l extrémité du siphon est en dessous de la surface libre du mercure, à une distance au moins plus grande que la distance h signalée plus haut. Pour les deux éprouvettes réunies par un fil étamé, l explication est la même. Si, dans ce dernier cas, l écoulement est plus rapide que dans le premier, c est qu il y a lieu de tenir compte de la formation des gouttes et de la résistance opposée par la tension superficielle mercure-étain. Cet écoulement à travers l étain amalgamé semble comparable à l écoulement à travers les tubes capillaires très fins ou plutôt à travers des parois poreuses, c est une sorte de filtration : On sait que la loi de Poiseuille s applique à la filtration, mais seulement dans certaines conditions. le mercure 5 Dans les expériences précédentes, on peut dire que mouille l étain, cet effet siphon semble général poar un liquide qui mouille un solide.

7 (a)~ 711 Par exemple, si l on prend du papier buvard, de la toile avec de l eau, une mèche de lampe avec du pétrole, et si l on fait des siphons avec les solides précédents, on peut répéter les mêmes expériences qu avec le mercure et le cuivre étamé. Il y a d abord une phase d amorçage par capillarité, puis une fois que la chaîne liquide est constituée, I effet siphon commencée et l écoulement se produit : S il s agit de deux éprouvettes, les deux niveaux viennent sur le méme plan horizontal. Si le siphon a son extrémité libre et située au-dessus du fond du récipient, le liquide s écoule jusqu à ce que son niveau dans l éprouvette soit au maximum sur le même plan horizontal que cette extrémité ; en général, il s arrête à une certaine hauteur au-dessus de cette extrémité. Avec le système eau-papier buvard, cette hauteur était de 1 centimètre environ ; avec le système eau-toile, les deux niveaux étaient sensiblement sur le même plan; avec pétrole et mèche de lampe, la hauteur du pétrole au-dessus de l extrémité de la mèche était de 4 millimètres environ; de même si, au commencement de l expérience, l extrémité libre du siphon est au-dessus du niveau du liquide, il y a un phénomène d imbibition, tout le long du siphon, mais il ne se produit pas d écoulement. Tous ces faits sont aussi sous la dépendance de la tension superficielle du liquide relativement au solide : eau-papier buvard, eautoile, pétrole-mèche. - 6 J ai dit précédemment [4 à travers un siphon ordinaire dont une extrémité est libre et au-dessus du fond du récipient, l écoulement d un liquide s arrête lorsque son niveau dans l éprouvette est sur le même plan horizontal que cette extrémité libre; à la vérité, ceci n est exact que pour les siphons de large diamètre extérieur, si on prend des siphons de verre de diamètre inférieur à le niveau du liquide dans l éprouvette restera toujours à une certaine hauteur au-dessiis du plan passant par l extrémité du siphon. L expérience est représentée par la un tube de verre de Oçm,3 de diamètre extérieur plonge dans une éprouvette contenant du liquide à une certaine hauteur, on amorce le siphon avec un petit aspirateur, l écoulement se produit et ne s arrête que lorsque le niveau du liquide dans l éprouvette est descendu à une certaine hauteur H au-dessus du plan passant par l extrémité libre du

8 712 siphon ( fig. 5). Cette expérience est la même que celle des siphons de cuivre étamé, de papier buvard, toile, etc.; il ne manque que l amorçage spontané. FIG. 5. Avec un siphon de verre donné, cette hauteur H reste la même pour un même liquide ; elle varie avec les différents liquides. Il est facile de voir que cet arrêt à une hauteur H est dû à un phénomène de tension superficielle : en effet, lorsque le système est en équilibre, il se forme une goutte à l extrémité du siphon. En appliquant les lois de l équilibre hydrostatique et en mesurant la hauteur H, on peut déduire de ces expériences la tension superficielle des liquides (je décrirai sous peu un appareil destiné à ces mesures). 71 Comme conclusion on peut dire : L effet siphon observé dans les fils de cuivre étamé, le papier buvard, la toile, etc., est analogue à l écoulement des liquides à travers un siphon ordinaire, ou plutôt un siphon capillaire extrêmement fin; cet effet siphon est précédé d un phénomène d amorçage spontané qui est dû à des phénomènes chimiques et capillaires (mercure) ou capillaires seuls et qui constitue une chaîne liquide continue. Une fois l amorçage effectué, les lois de l hydrodynamique semblent pouvoir s appliquer. Il reste sur ce sujet encore beaucoup de points à élucider.