Billet

L' Expérience des Curie

Publié le
07 janvier 2018
par Claire Schaefer
Mis à jour le
02 février 2018
Sciences Physiques
Objets de sciences

L’électromètre à quadrants est un appareil de mesure électrostatique. Conçu en 1867 par Lord Kelvin, il a pour but de mesurer l’intensité du courant. Cependant, son utilisation se fait au sein d’un montage avec d’autres appareils, imaginé par Pierre Curie : la balance à quartz piézoélectrique et la chambre d’ionisation. Ce montage permet de mesurer l’activité radioactive des échantillons.

 

Au premier plan, la chambre d'ionisation (gauche) et l'électromètre à quadrants (droite). Photo par Philippe Hillion (21/12/2005)

 

Dans la chambre d’ionisation, un échantillon radioactif est placé entre les deux plaques d’un condensateur. L'idée de Pierre Curie est de mesurer l’intensité du rayonnement via l’intensité du courant traversant une chambre d’ionisation

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L’électromètre à quadrants possède une aiguille métallique en forme de papillon qui est accrochée au milieu des quatre quadrants. Les quadrants opposés sont reliés sur un plan électrique. L’aiguille est positionnée de manière à ce qu’elle présente une surface égale à chaque quadrant lorsqu’elle est au repos. On applique une différence de potentiel qui va faire subir à l’aiguille un couple électrostatique, elle va donc se mettre en mouvement à l’intérieur de l’appareil. Un petit miroir suspendu à l’aiguille réfléchit le faisceau lumineux sur une règle graduée, ce qui permet d’observer le mouvement de l’aiguille. 

 

La balance à quartz permet aux mesures d’être plus stables et plus précises. Quand une substance dite « active », c’est-à-dire rendant l’air conducteur, est posée sur l’un des plateaux du condensateur, l’air change de propriétés et un courant peut alors passer dans l’instrument. Lorsque l’interrupteur placé dans le montage est ouvert, le courant créé charge l’électromètre. Si on ne compense pas cette charge, l’aiguille de l’électromètre subit un couple électrostatique et est déviée. C’est pour cela que lors de son expérience, Marie Curie a introduit la balance à quartz piézoélectrique. Le quartz piézoélectrique possède la particularité de produire de l’électricité lorsqu’il est soumis à des compressions/tractions. Ici, la compression est faite par des poids placés sur le plateau de la balance : l’intensité du courant produit varie en fonction du poids appliqué. Le quartz sert donc de capteur de pression qu’il convertit en tension mesurable. La quantité d’électricité générée permet de maintenir l’aiguille en équilibre, car les charges générées dans le condensateur sont inverses à celles produites par la balance à quartz. Au bout d’un certain temps, les deux courants ne s’équilibrent plus, car les charges générées par le condensateur continuent de s’accumuler. Le faisceau lumineux se déplace alors à nouveau jusqu’à la position d’équilibre qu’il avait après l’ouverture de l’interrupteur. En mesurant le temps que met le faisceau lumineux pour faire un aller-retour jusqu’à cette position d’équilibre, on peut déterminer l’activité de la substance radioactive placée dans la chambre d’ionisation. 

Schéma de l'expérience

Déroulé de l’expérience :

On dépose la substance à étudier sur le plateau P du condensateur, que l’on porte à un potentiel élevé grâce à la batterie à piles Pi. Le condensateur est également appelé chambre d’ionisation car c’est sur l’un de ses plateaux que l’on dépose une substance radioactive (qui émet des rayons ionisants) préalablement réduite en poudre. Le plateau P’ est placé au potentiel de la terre grâce à l’interrupteur K. Lorsque l’interrupteur K est en position ouverte, l’électromètre dévie : l’air change de propriétés grâce à la radioactivité de la substance.

Un miroir suspendu à l’aiguille de l’électromètre permet de mesurer le couple électrostatique mis en jeu par la déviation d’un faisceau laser qui est renvoyé sur une réglette de mesure. La balance à quartz a été ajoutée au montage expérimental de Marie Curie en 1898.

La chambre d’ionisation et la balance à quartz piézoélectrique génèrent des courants opposés. A l’aide d’un chronomètre, on mesure le temps nécessaire pour que le courant généré par les poids déposés au fur et à mesure sur le plateau de la balance à quartz annule la charge crée dans la chambre d’ionisation. Le temps obtenu pour l’annulation de cette charge et le retour au point de départ fixe du faisceau lumineux nous renseigne alors sur l’activité de l’élément radioactif que l’on avait placé sur le plateau inférieur du condensateur. (On multiplie le temps mesuré à la constance du quartz)

Pour aller plus loin : https://www.youtube.com/watch?time_continue=117&v=v0VHn3VbrZ8 

Ce billet fait partie du dossier "Le Mystère de l'électromètre à quadrant"

 

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