Radiomètre de Crookes : Fonctionnement & expériences

Le radiomètre de Crookes est un instrument scientifique fascinant : une simple ampoule en verre avec des ailettes noires et blanches qui se mettent à tourner sous l’effet de la lumière. Contrairement à ce que l’on croit souvent, ce n’est pas la pression des photons qui le fait tourner, mais un effet thermique subtil lié au vide partiel à l’intérieur. Utilisé à la fois comme démonstration de physique et comme objet décoratif, il attire autant les passionnés que les curieux. Découvrons ensemble son histoire, son fonctionnement et des expériences simples à réaliser.

• Qu’est-ce que c’est ? Mini instrument en verre où des ailettes noires/blanches tournent à la lumière.
• Pourquoi ça tourne ? Effet thermique (transpiration thermique dans un gaz raréfié), pas la pression de radiation pure.
• À quoi ça sert ? Démonstration visuelle de la conversion lumière → mouvement, objet décoratif et éducatif.
• Pour qui ? Curieux, professeurs, parents, passionnés de physique et amateurs d’objets scientifiques.

Définition & anatomie

Radiomètre de Crookes Design

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Radiomètre de Crookes en Verre

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Radiomètre Météo

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Radiomètre Solaire

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Un radiomètre de Crookes se compose d’une ampoule scellée contenant un vide partiel. À l’intérieur, un rotor est monté sur un pivot quasi-frictionless. Ce rotor porte quatre ailettes dont une face est noire et l’autre blanche. Lorsque la lumière éclaire l’instrument, les ailettes se mettent à tourner.

Schéma mental : ampoule → tige → rotor avec ailettes → support/pivot.

Variantes : On trouve différents modèles selon la taille de l’ampoule, la finition du verre (clair ou fumé) et la matière du socle (bois, métal).

Un peu d’histoire

Inventé entre 1873 et 1879 par William Crookes, le radiomètre a d’abord été interprété comme une preuve de la pression de radiation prévue par la théorie électromagnétique de Maxwell. Mais rapidement, des débats scientifiques sont apparus.

Les expériences de Reynolds, Knudsen et même Einstein ont montré que l’explication correcte résidait dans la transpiration thermique d’un gaz raréfié, phénomène encore peu connu à l’époque.

La physique derrière la magie ✨

Conditions de fonctionnement

• Vide partiel : indispensable pour permettre les collisions moléculaires asymétriques.
• Source d’énergie : lumière solaire, lampe à incandescence, rayonnement infrarouge ou toute source de chaleur.

Mécanisme principal (aujourd’hui admis)

La face noire absorbe plus de lumière et chauffe davantage que la face blanche. Cette différence crée un gradient de température le long des bords des ailettes. Les molécules de gaz, en interagissant avec ces zones, génèrent une force appelée transpiration thermique, qui entraîne la rotation du rotor.

La rotation s’arrête quand les températures s’équilibrent et que les frottements du pivot dissipent l’énergie.

Idées reçues à corriger

• Mythe : « C’est la lumière qui pousse les ailettes » → faux dans ce contexte.
• Vrai : La pression de radiation existe mais son effet est négligeable comparé aux forces thermiques.

Expériences simples à réaliser (sécurité & pas-à-pas)

1) Courbe intensité lumineuse → vitesse

Placez une lampe à différentes distances et mesurez le nombre de tours/minute. Comparez avec l’exposition directe au soleil.

2) Filtre de couleurs

Utilisez des filtres rouge, bleu, vert : chaque couleur est absorbée différemment, ce qui modifie la vitesse de rotation.

3) Effet source chaude

Placez une lampe halogène ou une source infrarouge. Les ailettes réagiront même sans forte lumière visible.

4) Ombre portée

Cachez une partie des ailettes : vous observerez une baisse, voire une inversion de vitesse.

5) Température ambiante & convection

Testez en chambre froide ou chaude. Attention à bien isoler des courants d’air, qui peuvent fausser l’expérience.

⚠️ Encadré sécurité : Manipulez toujours par le socle. Ne placez pas l’ampoule en plein soleil puis dans un environnement froid (risque de fissure). Ne laissez pas les enfants de moins de 6 ans manipuler l’objet.

Applications & intérêt pédagogique

Le radiomètre offre une visualisation unique : il rend visible la transformation de l’énergie lumineuse en mouvement mécanique, une expérience fascinante qui capte immédiatement l’attention.

Au-delà de son aspect spectaculaire, il sert de support concret pour aborder des notions souvent abstraites comme le transfert thermique, le comportement des gaz raréfiés ou encore les gradients de température.

Qu’il soit utilisé lors de démonstrations en classe, exposé dans un musée scientifique, ou simplement posé en tant qu’objet décoratif, il constitue aussi un cadeau STEM idéal pour stimuler la curiosité et l’envie d’explorer la science.

Questions fréquentes (FAQ)

Pourquoi les ailettes noires sont-elles du côté “poussé” ?
Parce que la face noire absorbe plus de chaleur, créant un flux thermique qui pousse l’ailette vers l’avant.

Est-ce que ça marche à la lumière froide (LED) ?
Oui, mais la rotation est plus faible car les LED émettent peu d’infrarouges, donc moins d’échauffement.

Peut-on l’ouvrir ou recharger le vide ?
Non, l’ampoule est hermétiquement scellée. Si le vide se dégrade, l’objet devient moins réactif.

En plein soleil, est-ce dangereux ?
Non, mais évitez une exposition prolongée : le verre peut surchauffer et se fissurer.

Combien de temps ça dure ?
Un radiomètre de qualité peut fonctionner plusieurs décennies, tant que l’ampoule reste intacte.

Le radiomètre de Crookes n’est pas seulement un bel objet, c’est une véritable leçon de physique condensée dans une ampoule. Que ce soit pour éveiller la curiosité des enfants, illustrer des lois thermodynamiques en classe ou simplement décorer un bureau, il reste un instrument intemporel qui relie science et esthétique.