Mesures de la charge électrique de gouttelettes d eau ou de solutions salines au cours de processus d évaporation, ou de condensation de vapeur d eau sur elles Jessica Dubois To cite this version: Jessica Dubois. Mesures de la charge électrique de gouttelettes d eau ou de solutions salines au cours de processus d évaporation, ou de condensation de vapeur d eau sur elles. Journal de Physique, 1963, 24 (9), pp.661664. <10.1051/jphys:01963002409066100>. <jpa00205545> HAL Id: jpa00205545 https://hal.archivesouvertes.fr/jpa00205545 Submitted on 1 Jan 1963 HAL is a multidisciplinary 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.
On Les A LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 24, SEPTEMBRE 1963 661. «MESURES DE LA CHARGE ÉLECTRIQUE DE GOUTTELETTES D EAU OU DE SOLUTIONS SALINES AU COURS DE PROCESSUS D ÉVAPORATION, OU DE CONDENSATION DE VAPEUR D EAU SUR ELLES» Par J. DUBOIS, Laboratoire de Physique, Collège Scientifique Universitaire de Pau. 2014 Résumé. présente une étude de la charge électrique de gouttelettes d eau ou de solutions salines, isolés, de diamètre compris entre un et une centaine de microns. Si la goutte est en équilibre de tension de vapeur avec l air ambiant, elle apparaît peu chargée, avec une corrélation probable entre la charge et le diamètre de la goutte. S il n y a pas équilibre de tension de vapeur, l évaporation fait apparaître des charges négatives ; la condensation de vapeur d eau sur la goutte, des charges plus. Un essai d interprétation est donné. 2014 Abstract. study is presented of the electric charges of individual droplets of water or saltsolution, the diameter of the droplets beeing between one and one hundred microns. If the vapour pressure of the droplet is the same as that of surrounding air, the droplet seems to carry only a small charge, possibly related to its diameter. If the vapour pressure of the droplet is not in equilibrium with that of air, evaporation of water from the droplet produce negative charge ; on the other hand, condensation of water vapour on the droplet produce charge of opposite sign. An attempt is mode to explain these results. I. Introduetion. gouttelettes d eau ou de solutions salines peuvent acquérir des charges par divers mécanismes dont l importance n est pas encore connue avec certitude. Nous avons pensé que l étude systématique des charges qui peuvent apparaître au moment d un changement d état présente un intérêt particulier, car de tels changements d état se produisent toujours dans la formation des nuages. ici deux séries de recherches : Nous présentons 10 Étude des charges électriques de gouttes, lorsque cellesci sont en équilibre de tension de vapeur avec l air ambiant. 20 Étude des charges électriques pour des gouttes en déséquilibre de tension de vapeur. Il y a alors évaporation ou condensation de vapeur d eau. On a étudié quelques cas de cristallisation du sel de la solution. L interprétation reste difficile. Nous tenterons, en conclusion, d en donner une. II. Appareils utilisés. 10 Chambre de Millikan. Elle convient pour mesurer les charges des petites gouttes, jusqu à 15 [1.. 20 Oscilloscope à fil d araignée, pour l étude des charges des grosses gouttes entre 10 et 100 {i, par exemple. Les deux appareils ont un intervalle de recoupement, pour les diamètres de 10 à 15 {jl. La chambre dé Millikan est en somme un petit condensateur plan, à armatures carrées et horit. zontales, de 80 mm de côté, et distantes de 5 mm. Les visées se font latéralement, les gouttes étant introduites pay un petit orifice percé dans l armature supérieure. La tension entre les plateaux peut varier entre 0,3 et 3 kv ; elle peut être inversée à volonté. La charge de la goutte se déduit de la valeur du champ électrique nécessaire à ralentir ou arrêter la chute de la goutte entre les plateaux, c estàdire de la valeur de la force électrostatique qui équilibre partiellement ou totalement le poids de la goutte. Celuici se mesure en étudiant le mouvement de chûte en l absence de champ. Ces mesures ont été exécutées par M. Barnaud, aide technique. La cuvecondensateur à fil d araignée comporte un fil d araignée, très fin, et fraîchement tissé, tendu entre deux supports. Ce fil porte une gouttelette qui se trouve ainsi placée dans un espace où règnent un champ électrique et une humidité relative connus, le conditionnement en humidité étant réalisé à l aide d une solution saline titrée, placée dans la cuve. La goutte se trouve placée à moins de 2 mm de la surface de la solution contenue dans la cuve. Le champ électrique est produit à l aide de 2 électrodes extérieures à la cuve de verre. Si la goutte est chargée, l action du champ en provoque un déplacement, mesuré avec un microscope. Ce déplacement est fonction de la constante d élasticité du fil, qui est mesurée dynamiquement, par détermination de la fréquence de résonance du système filgoutte. On a vérifié, quel que soit le procédé de mesure, que le déplacement de la goutte, ou les champs appliqués ne modifiaient en rien la charge initiale ou acquise par la goutte. Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002409066100
La 662 III. Résultats. A. IL Y A ÉQUILIBRE DE TEN SION DE VAPEUR. Les gouttes sont produites à l aide d un nébuliseur pharmaceutique où l on a introduit une solution saline titréè qui maintient dans l appareil de mesure la même tension de vapeur que celle de l air du laboratoire. 400 expériences ont été effectuées à la chambre de Millikan, avec une solution de chlorure de sodium à 78 % d humidité relative. La moitié des expériences concernaient des gouttes positives ; l autre moitié des gouttes négatives. La figure 1 résume l ensemble des résultats. La charge croît avec le rayon, le signe de la charge étant sans influence. Les gouttes de rayon inférieur à 1 {L ont une charge très faible, non mesurable avec nos appareils. Les résultats concernant les gouttes plus grosses sont groupés sur la figure 2 (courbes a et b). La valeur de la charge croit d abord, atteint une limite ou un maximum entre 40 et 60 {L. La charge pourrait décroître pour les grosses gouttes, sans qu il soit possible de trancher nettement. B. INITIALEMENT LES GOUTTES SONT EN DÉSÉ QUILIBRE DE TENSION DE VAPEUR. goutte perd de l eau par évaporation, ou en gagne par condensation, suivant que l air qui la baigne est plus sec ou plus humide que sa propre tension de vapeur. FiG. 1. FIG. 2, Fic. 3, La figure 3 donne les résultats relatifs aux petites gouttes. Air du laboratoire 98 % ; gouttes : solution LiCI 24 %. Air du laboratoire 52 % ; gouttes : solution NaCI 98 %. La charge paraît être fonction du diamètre, mais indépendante du signe de cette charge. On remarquera que les figures 1 et 3 indiquent des charges du même ordre de grandeur. Ce résultat peut s expliquer, si l on tjent compte que, pour des gouttes de diamètre inférieur à 6 y, la mise en équilibre se trouve réalisée en quelques secondes. Pour les gouttes de diamètre supérieur à 5 ou 6 [1., le taux d humidité dans la cuve a varié de 18 à 76 % (solution de chlorure de lithium), la température a été maintenue constante : expériences en chambre isotherme. Le diamètre des gouttes étudiées a varié de 10 à 100 p. ; deux cent expériences ont été montées, et résumées sur la figure 4
A. 663 (a et b). On remarquera que le diamètre de la goutte varie assez avec le temps. FIG. 4. La charge, initialement faible, croît plus ou moins rapidement après introduction dans la cuve. L évaporation chargerait la goutte négativement la condensation positivement. Les courbes présentent un maximum, atteint, pratiquement; dès que le diamètre devient stationnaire. La légère diminution des charges ne peut être imputée à, une perte quelconque, mais peut s expliquer par un réarrangement des ions, plus ou moins hydratés, à l intérieur de la goutte. Les gouttes dont le diamètre est compris entre 20 et 60 tl donneraient les charges maximales les plus élevées, sans qu on puisse préciser davantage. La cristallisation d un sel semble produire de fortes charges positives, et la dissolution des charges de signe contraire. La figure 5 donne un FIG. 5. exemple d un sel que l on a fait cristalliser après avoir obtenu une forte sursaturation de la solution par évaporation en atmosphère à basse humidité relative. Si au contraire, on relève le taux d humidité, et si l on dépasse beaucoup le taux d humidité critique du sel, celuici se dissout rapidement. Le nombre des charges qui apparaissent dans une goutte semble, quelque soit le signe des charges, non seulement lié à la quantité d eau évaporée ou condensée, mais aussi à la vitesse des échanges. Ce nombre de charges semblerait croît à peu près proportionnellement à la vitesse des échanges si celleci ne se dépasse pas 1010 g par minute, et pourrait atteindre une limite pour des vitesses environ dix fois plus grandes. Une méthode électrométrique nous a permis de recouper, et de vérifier à une échelle macroscopique l ensemble des résultats obtenus. IV. Conclusion. Par évaporation, une goutte d eau ou de solution saline s électrise négativement. La condensation de vapeur d eau, dépend au de la réserve constituée par la solution enfermée dans la cuve, amène l apparition de charges positives. La valeur des charges qui apparaissent est relativement importante, et semble liée non seulement à la variation de masse de la goutte, mais aussi, ce qui peut surprendre, à la vitesse des échanges. La dissolution ou la cristallisation d un sel fait également apparaître des charges appréciables dont la grandeur pourrait dépendre de la nature du sel, de son degré d hydratation, ou même de la forme cristalline. Il y a symétrie, quant au signe des charges, suivant qu il s agit de dissolution ou de cristallisation. B. Sous réserve d une explication théorique plus complète, nous pensons attribuer l électrisatiôn d une goutte par évaporation à la rupture de liaisons moléculairesa sous l effet des forces dues aux différences de tension de vapeur entre la goutte et le milieu ambiant. Un grand nombre de molécules, ou d associations moléculaires, doivent quitter la goutte à l état neutre. Pour quelques unes, cependant, la rupture des liaisons, doit se produire avec abandon d un électron sur la goutte. Ainsi, la charge de celleci devientelle négative, tandis que la molécule partante est chargée positivement. D après nos mesures de charges, tout semble se passer comme s il y avait une molécule chargée pour 101 ou 108 molécules neutres, soit pour un volume d environ 4 micronscube. à celui de l élec Un tel processus est comparable trisation par frottement. L abrasion est ici remplacé par l action de forces de tension de vapeur. On conçoit ainsi que la charge soit fonction de la masse évaporée. Cependant, si l évaporation est rapide, le nombre de charges libérées à la surface de la goutte est plus grand par suite du départ plus rapide des molécules, ou groupes de molé
664 cules : la goutte conserve ainsi davantage d électrons. Les charges positives qui se fixent sur la goutte par condensation constituent le phénomène inverse du précédent. Les molécules chargées positivement proviennent de la solution de la cuve, qui s est évaporée un peu. On a donc des molécules positives qui vont se déposer sur la goutte, et la chargent du signe plus. Cependant, le séjour de molécules chargées dans l atmosphère de la cuve n est pas favorable à, la conservation de leur charge, soit à cause de chocs dus à l agitation moléculaire, soit en raison du champ électrique que l on produit BIBLIOGRAPHIE temporairement pour faire les mesures, si ce n est même à cause du champ au voisinage de la goutte. Nous avons réalisé des expériences à ce sujet : une goutte qui s évapore, et perd une certaine masse, s électrise davantage que si elle gagne la même masse par condensation. La valeur de la charge de la goutte parait agir aussi, suivant le signe de cette charge, sur la rapidité des échanges. Des expériences complémentaires en cours nous permettront, peut être, de donner ultérieurement d autres précisions sur ces questions. Manuscrit reçu le 28 mai 1963. [1] TWOMEY (S.), The electrification of individual cloud droplets. Tellus 1956, 8, n 4, 445452. [2] HANDLER et GOYER, Water vapour condensation as a cloud doplets charging mechanism. J. Met., U. S. A., 1955, 12, n 6, 569570. [3] PANNETIER, Phénomènes d ionisation accompagnant la rupture des surfaces liquides. C. R. Acad. Sc., 1952, 234, 18811883. [4] BLANCHARD, Electrification droplets from bursting of bubles at an air sea water interface. Nature, 1955, 175, 334. [5] MUHLEISEN (R.), Charges électriques des noyaux de condensation subissant une condensation ou une évaporation. D. Naturwis., 1958, 2, 3435. [6] MUHLEISEN (R.), Charges électriques des particules d aérosol, de brume et de brouillard. Ber. Deut. Wett., 1958, 51, 6266.