Radiomètre de Crookes
Un rayon de soleil passe la vitre, et le radiomètre de Crookes démarre seul : ses quatre ailettes noires et argentées tournent dans le globe, faces sombres en arrière. Sans pile ni prise, il vit de la chaleur que la lumière dépose sur ses faces noires, et le soleil en apporte bien plus que vos ampoules LED.
Le sens de rotation donne tort à Crookes
Ce détail, des faces noires qui fuient la lumière, réfute la première idée de William Crookes. En 1873, alors qu’il étudie le thallium et l’infrarouge, il met au point ce moulinet et croit y voir la lumière pousser les ailettes noires, comme l’eau pousse les aubes d’un moulin. James Clerk Maxwell, qui relit son article, accepte l’explication, raconte le physicien Philip Gibbs dans sa FAQ de physique. Elle ne tient pas : une surface noire absorbe la lumière, une surface brillante la renvoie, et une lumière renvoyée pousse deux fois plus fort. Si la lumière était le moteur, les faces argentées reculeraient.
La vraie cause, c’est le gaz très raréfié que l’on a laissé dans le globe. La face noire chauffe davantage ; le long des bords de chaque ailette, le gaz glisse du côté froid vers le côté chaud et, par réaction, repousse l’ailette vers son côté froid. Osborne Reynolds l’explique en 1879, Maxwell en fait aussitôt l’analyse mathématique. D’où une exigence étrange : un vide poussé, mais pas parfait. Poussez-le plus loin, et les ailettes s’immobilisent.
Le radiomètre est donc une petite machine thermique : la lumière n’y sert qu’à créer un écart de température, comme celui qui fait tourner un moteur Stirling entre une source chaude et l’air ambiant.
Le soleil et l’halogène le lancent, une LED presque pas
Ce qui compte, c’est la part de lumière que la face noire absorbe et change en chaleur. Dans son brevet, Crookes notait que toute portion du spectre solaire fait tourner le moulinet, mais que l’effet est le plus fort sous les rayons « de l’extrémité rouge et ultra-rouge », notre infrarouge, celui que la peau sent sans que l’œil le voie. Toutes les lampes n’en donnent pas autant : pour un éclairage artificiel, la Fondation La main à la pâte conseille une lampe à incandescence ou halogène, « en aucun cas » une lampe à économie d’énergie ni un tube néon.
| Source de lumière | Le moulinet | Pourquoi |
|---|---|---|
| Soleil direct, fenêtre ouverte ou fermée | Démarre franchement et tourne vite | Toutes les couleurs agissent, le rouge et l’infrarouge le plus ; une vitre n’arrête pas ce que le globe, en verre lui aussi, laisse entrer |
| Ciel voilé, pièce claire sans soleil direct | Ralentit, peut s’arrêter | Moins de rayonnement, moins de tours par minute |
| Ampoule à incandescence ou halogène, approchée du globe | Tourne | Elle rayonne assez d’infrarouge |
| Ampoule LED, fluocompacte, tube néon | Ne démarre pas, ou à peine | Lampes à économie d’énergie : trop peu d’infrarouge |
Dans une maison éclairée aux LED, le moulin à lumière reste donc immobile le soir, et c’est normal. Son vrai moteur, c’est la fenêtre : un rebord où le soleil tape quelques heures par jour, une véranda. Dans une pièce que le soleil n’atteint jamais, il tournera rarement ; mieux vaut le savoir avant de le commander. Rien de perpétuel dans ce mouvement : il cesse avec la lumière, comme les billes d’un pendule de Newton finissent par se taire.
Une expérience à montrer à la personne qui le reçoit : le soir, lampe éteinte, posez un glaçon contre le globe. Le moulinet repart, mais à l’envers, faces noires devant, le temps que les deux côtés de chaque ailette reviennent à la même température. Les faces noires perdent leur chaleur plus vite que les argentées : l’écart s’inverse, le sens de rotation aussi. Aucune lumière n’entre en jeu : c’est bien la différence de température qui fait tout.
Le brevet de 1876 décrit déjà le moulinet de nos modèles
Le 12 septembre 1876, Crookes obtient aux États-Unis le brevet n° 182 172. On y trouve l’essentiel de ce que vous verrez dans le globe : quatre bras portant chacun une ailette « blanche d’un côté et noire de l’autre », une fine aiguille posée dans une petite cupule en guise de pivot, le tout dans une bulle de verre mince, vidée « à un très haut degré » puis scellée. Le texte prévoit aussi des écrans d’eau, d’alun ou de verre coloré, pour ne laisser agir qu’une partie du rayonnement : Crookes triait la lumière avec des filtres, là où un prisme optique l’étale en arc-en-ciel.
À Londres, le Science Museum conserve un radiomètre de Crookes gravé « No 1327 Dec. 1877 Ag. Vanes » : ailettes d’argent, déjà. Sa fiche lui donne 76 mm sur 60 et 30 grammes, un format miniature à côté de nos radiomètres sur pied, qui montent à 14 cm. Le travail du verre et la technique du vide mis au point dans l’atelier de Crookes ont aussi aidé Joseph Swan, vers 1881, à lancer la production de sa lampe à filament.
Cinq radiomètres, deux silhouettes
Quatre modèles sur pied partagent le même gabarit et le même moulinet de quatre ailettes noires et argentées : 14 cm de haut, à peu près la hauteur d’un téléphone posé debout, pour 7,5 cm de large. Seule change la teinte du pied, de la tige et de la pointe, autour d’un globe toujours clair : vert bouteille, bleu cobalt, orange ambré, ou pas de teinte du tout. L’incolore, vendu comme radiomètre solaire, ne laisse voir que les ailettes. Les quatre coûtent 49,99 €.
Le cinquième se pose sur un socle noir en tronc de pyramide, à base carrée. Plus bas et plus large à la base, 12,5 cm de haut pour 9 cm de côté, avec un globe de 8 cm, il craint moins un coude distrait. À 34,99 €, il passe lui aussi le seuil de la livraison offerte, fixé à 30 €. Comme dans le brevet, chaque moulinet pivote sur une pointe : gardez le globe vertical quand vous le changez de place.
Pour choisir, partez de l’endroit où il tournera. Sur un rebord ensoleillé, la lumière qui traverse le pied en ravive la teinte : prenez celle qui va avec la pièce, ou l’incolore pour ne rien ajouter au décor. Sur un bureau où l’on va et vient, prenez le socle noir. Les teintes se comparent d’un coup d’œil dans la grille, plus haut ; pour un autre phénomène à poser près d’une fenêtre ou à offrir à un professeur de physique, le rayon objet scientifique réunit les autres instruments de la boutique.
Sources : William Crookes, brevet US 182 172 (1876), Google Patents ; Philip Gibbs, « How does a light-mill work? », Physics FAQ ; Fondation La main à la pâte, Questions aux experts : le radiomètre de Crookes (2011) ; Science Museum Group, Crookes’ radiometer, objet 1919-382
Questions fréquentes
Peut-on fabriquer un radiomètre de Crookes soi-même ?
Le moulinet se bricole, le globe beaucoup moins. Des tutoriels proposent d’en monter un dans un pot de confiture ; en 2011, un lecteur qui avait suivi l’un d’eux écrivait aux experts de La main à la pâte que le sien ne tournait pas. La réponse tient en deux conseils : réduire la pression dans l’enceinte, car à la pression atmosphérique l’effet est « moins probant », et limiter au maximum les frottements de l’axe. Crookes, lui, vidait son globe à la pompe avant de le sceller.
Un radiomètre de Crookes mesure-t-il la lumière ?
Il n’a ni échelle ni affichage. Crookes proposait pourtant une mesure rudimentaire dans son brevet : compter les tours par minute donne « une mesure approchée du rayonnement total ». Essayez au soleil de midi, puis sous un ciel voilé, et comparez. Les radiomètres utilisés pour mesurer les UV ou l’ensoleillement sont des instruments à capteur, sans rapport avec ce moulinet de verre.
Que se passe-t-il si le globe se fêle ?
L’air de la pièce y entre, et le moulinet ne tourne plus, ou presque plus, même en plein soleil. L’écart de température entre les faces n’agit que dans un gaz très raréfié ; à la pression ordinaire, l’effet s’efface. Une fêlure ne se répare pas, et aucun réglage ne rendra le vide perdu.
D’où viennent les noms de moulin à lumière et de radiomètre solaire ?
Le premier décrit ce que l’on voit, comme l’anglais light-mill : un rotor à ailettes que la lumière semble pousser. Le second rappelle son autre nom anglais, solar engine, « moteur solaire » : il renvoie à la lumière qui l’anime, pas à une mesure. Le nom savant vient de Crookes, qui le concevait comme un instrument pour mesurer l’énergie rayonnée par la chaleur et la lumière, d’où « radiomètre », celui qui mesure le rayonnement.