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La Température - Les Thermocouples - Il y a un siècle

Les thermocouples : il y a un siècle et plus

Grand Dictionnaire Universel du XIXe siècle de Pierre Larousse.

Piles thermo-électriques

C'est à Seebeck, professeur de physique à Berlin, qu'on doit la découverte, en 1821, de la production d'électricité qui accompagne toute transmission de chaleur, par conductibilité, dans l'intérieur d'un solide. On vérifie le fait au moyen d'un circuit formé de deux lames de cuivre et de bismuth, soudées ensemble et recourbées de manière à laisser entre elles un espace vide dans lequel on puisse loger une aiguille aimantée, portée sur son pivot. Si l'on chauffe l'une des soudures, l'aiguille est déviée dans un sens qui indique le passage d'un courant de la soudure chaude à la soudure froide dans le cuivre, ou de la soudure froide à la soudure chaude dans le bismuth. Si l'on refroidit la même soudure qu'on avait échauffée, le courant se produit encore, mais le sens indiqué par la déviation de l'aiguille est renversé.

La première pile thermo-électrique a été construite par Oersted et Fourier. Elle se composait d'un petit nombre de barreaux de bismuth et d'antimoine alternés et soudés les uns aux autres en cercle. Les points de soudure étaient de deux en deux portés à une température de 200° à 300°, au moyen de petites lampes, et maintenus à 0° à l'aide de bains de glace fondante.

La pile thermo-électrique, telle qu'on l'emploie aujourd'hui et qui a rendu tant de services entre les mains de Melloni (Physicien italien 1801-1853), a été construite par Nobili. Elle se compose d'une série de couches de barreaux d'antimoine et de bismuth, soudés les uns aux autres et recourbés aux points de jonction, le dernier barreau de bismuth de la première couche se reliant au premier barreau d'antimoine de la seconde couche, et ainsi de suite. Cet ensemble de couches forme habituellement un cube renfermé dans un étui en cuivre, de manière que les soudures seules apparaissent au dehors. Les diverses couches de barreaux sont isolées les unes des autres au moyen de feuilles interposées de papier enduit de cire. Deux tiges communiquant avec le premier antimoine et le dernier bismuth forment les pôles de la pile, que l'on réunit par un circuit métallique. Pour déterminer la naissance du courant, il suffit d'exposer à l'influence d'une source de chaleur les points de soudure qui forment une même face de l'appareil, les autres conservant la température ambiante. Pour constater l'existence du courant, on interpose dans le circuit un galvanomètre multiplicateur ; mais ce galvanomètre doit différer sous un rapport de celui qu'on emploie pour la mesure des intensités des courants dus aux actions chimiques ; le fil, au lieu d'être fin et de fournir un grand nombre de tours, doit être assez gros et le nombre de ses tours ne doit pas dépasser 300. La sensibilité de la pile thermo-électrique est telle qu'à la distance de 1 mètre, la chaleur de la main suffit pour développer un courant accusé par une déviation sensible de l'aiguille aimantée.

Thermo-Multiplicateur

Instrument qui rend sensibles de très petites quantités de chaleur.

Seebeck, de Berlin, a découvert, en 1821, que la chaleur peut développer des courants électriques dans des circuits formés de substances métalliques différentes, soudées les unes aux autres. Les courants ainsi formés dévient de sa direction normale une aiguille aimantée, librement suspendue. On peut donc concevoir la possibilité de construire un appareil au moyen duquel la présence et l'intensité de la chaleur seront accusées par les déviations de l'aiguille aimantée.

La création de cet appareil est due à Becquerel ; mais l'idée première en appartient à Nobili, qui perfectionna la pile thermo-électrique, dans laquelle des courants sont engendrés par réchauffement de la moitié des points de soudure de plusieurs barreaux d'antimoine et de bismuth. En associant cette pile avec le galvanomètre, Melloni obtint un appareil thermométrique d'une extrême sensibilité, auquel il donna le nom de thermo-multiplicateur, et dont voici la description, qui sera facile à comprendre, si l'on connaît celle des deux instruments que nous venons de rappeler.

• une source calorifique a ;
• l'écran F formé par une double lame de laiton que l'on peut élever ou abaisser autour d'une charnière horizontale ;
• un écran limitateur E, percé d'orifices plus ou moins larges, destinés à restreindre l'étendue du faisceau calorifique ;
• le corps c sur lequel on observe les effets de la chaleur rayonnante,
• et enfin la pile thermo-électrique m.

La face de cette pile destinée à recevoir la chaleur incidente est munie d'un cône métallique, poli à l'intérieur, dont l'ouverture est tournée du côté de la source calorifique. Près de là est un galvanomètre D, muni d'un fil court et gros, qui vient communiquer en A et en B avec les deux pôles de la pile.

Cet appareil est tellement sensible, que l'aiguille du galvanomètre dévie par l'effet de la chaleur naturelle d'une personne placée à 10 mètres de la pile. Nobili et Melloni, en plaçant sur le support a diverses sources caorifiques, ont constaté des résultats inattendus. Ils ont mesuré la chaleur dégagée par des corps d'insectes, par la lueur du phosphore, par les rayons de la lune, etc. Mais la présence trop rapprochée de l'observateur, ou l'existence d'un foyer même éloigné, ou le rayonnement des parois de la salle, peuvent avoir sur l'appareil une influence qui, s'il n'en était pas tenu compte, fausserait les résultats. On doit donc se tenir loin de l'instrument, supprimer toute cause extérieure de réchauffement ou de refroidissement, envelopper la pile tout entière et le galvanomètre dans une tente en toile, sur laquelle on ne laissera que les ouvertures strictement nécessaires pour la manœuvre, et l'on évitera de jamais toucher avec la main une des pièces voisines de la pile.

Un pareil instrument est difficile à graduer. Il y a déviation de l'aiguille du galvanomètre chaque fois qu'il y a différence de température entre les deux faces de la pile, et le sens de la déviation varie suivant celle des deux faces qui est la plus chaude. Si, par exemple, la face antérieure est plus chaude que la face postérieure, l'aiguille marchera de gauche à droite ; elle se dirigera au contraire de droite à gauche, si la face postérieure est plus chaude que l'antérieure. Dans ce dernier cas, le corps dont on évalue la température rayonne du froid, puisqu'il refroidit la pile. Au sens du mouvement de l'aiguille, on reconnaît donc, non pas si la température de la source calorifique, plarcée en a, est au-dessus ou au-dessous de zéro, mais seulement si elle est supérieure ou inférieure à celle du milieu ambiant. On voit déjà par là qu'il sera impossible de rapporter les indications du thermo-multiplicateur à celles d'un thermomètre ordinaire. Comme il est impossible que deux thermomultiplicateurs soient identiques dans toutes leurs parties, substances et dimensions, il est impossible aussi qu'ils fournissent, dans une même expérience, des indications absolument concordantes. La graduation de l'un ne peut donc pas être comparée à celle de l'autre ; c'est dire que chaque appareil doit avoir une graduation particulière. Ce n'est pas tout : dans chaque thermo-multiplicateur, les déviations de l'aiguille ne sont pas, en général, proportionnelles aux effets calorifiques constatés. Lors donc que l'on veut évaluer ces effets, on est obligé, au préalable, de construire une table, spéciale à chaque appareil, donnait l'intensité de la chaleur correspondante à chaque déviation.

Pour dresser une table de cette nature, Melloni employait deux moyens. Voici le plus simple. On admet, d'après l'expérience, que les déviations de l'aiguille du galvanomètre sont proportionnelles aux intensités de chaleur constatées, jusqu'à 20°. Cela posé, on fait agir sur la pile une source de chaleur qui produit une faible déviation, par exemple, de 10°. On interpose ensuite une lame de verre, qui intercepte une partie de la chaleur ; la déviation est aussitôt diminuée, et n'est plus, par exemple, que de 5°. On en conclut qu'en toute circonstance la lame intercepte la moitié de la chaleur produite, donc le degré réel de chaleur est le double de celui qui est accusé par l'interposition de la lame. Supposons que la source de chaleur donne une déviation de 30°. On interpose la lame, et la déviation, au lieu d'être de 15°, est de 17,6°. On en conclut que le degré réel de chaleur émanée de la source calorifique est le double de 17,6°, ou 35,2°. Par conséquent, sur la table, on aura deux colonnes, l'une pour les déviations marquées, l'autre pour les déviations vraies. Dans la première, on écrira 30° et, dans la seconde, en regard, 35,2°. Les nombres seront les mêmes, dans les deux colonnes, jusqu'à 20°. A partir de là, la première colonne contiendra la suite naturelle 2l°, 22°, 23°... et la seconde les degrés correspondants obtenus par le procédé que nous venons d'indiquer. Quant aux fractions de degré, on les estime au moyen d'une proportion.

Grand Dictionnaire Universel du XIXe siècle de Pierre Larousse. Supplément 2

Piles Thermo-Électriques

Seebeck a découvert, en 1821, que si l'on formait un circuit avec deux barres de métaux différents soudées entre elles à leurs deux extrémités, et si l'on venait à chauffer l'une des soudures, le circuit était parcouru par un courant électrique. Ce nouveau genre de phénomènes a été complètement étudié, notamment par Becquerel, Gaugain et William Thomson. Parmi les piles thermo-électriques il convient de citer celle d'Œrsted et Fourier et celle de Melloni. La pile thermo-électrique d'Oersted et Fourier se compose d'un petit nombre de barraux de bismuth et d'antimoine alternés et soudés les uns aux autres en cercle. Les points de soudure étaient de deux en deux portés à une température de 200 à 300°C, au moyen de petites lampes, et les soudures intermédiaires maintenues à 0°C à l'aide de bains de glace fondante. De tous les appareils employés à la détermination des températures, celui qui a rendu le plus de services à la science est la pile de Nobili et de Melloni. Cette pile se compose d'une série de barreaux alternativement de bismuth et d'antimoine. La pile de Melloni sst un instrument de laboratoire.

Les piles thermo-électriques employées industriellement sont celles de Marcus, de Clamond et de Noë. Ces piles reposent sur les principes développés plus haut, en voici une description sommaire.

La pile Marcus se compose d'une série de barreaux positifs formés d'un alliage de 10 de cuivre, 6 de zinc et 6 de nickel, et d'une série de barreaux négatifs en alliage d'antimoine (12 parties), de zinc (5 parties), et bismuth (1 partie) disposés de façon à former une grille. La pile comprend deux-grilles ; elle est chauffée au gaz.

Fig. 3. - Pile thermo-électrique Clamond

Fig. 4. - Pile thermo-électrique Noë, chauffée avec une lampe

Enfin le professeur Vincent Riatti a construit une nouvelle pile thermo-électrique fondée sur la production d'électricité due à la différence de température de deux parties d'un seul liquide, le sulfate de cuivre en dissolution. L'appareil se compose essentiellement d'un vase en porcelaine à section rectangulaire plus haut que large. En deux points de sa hauteur il est traversé par des tuyaux de cuivre horizontaux distants de 0m,15 environ d'axe en axe ; le tuyau supérieur donne passage à la vapeur d'eau à 5 atmosphères (150° environ), le tuyau inférieur à un courant d'eau froide. Le sulfate de cuivre en dissolution remplit le vase et baigne les tuyaux. Le circuit se trouvant fermé, un courant électrique prend naissance ; le cuivre de l'un des tuyaux se dissout et se dépose sur l'autre. La pile ainsi obtenue est, paraît-il, constante et peu coûteuse comme entretien.

Dictionnaire général des sciences en 3 volumes par MM. Jules Gay et Louis Mangin. (1905)

Piles thermoélectriques. - Thomas Seebeck remarqua que la chaleur peut produire un courant électrique dans un circuit entièrement métallique ; ici il n'y a plus d'action chimique. Voici quelles furent les expériences fondamentales de ce savant : il prit un rectangle constitué par deux métaux, antimoine et bismuth, ou antimoine et cuivre ; ce rectangle étant vertical et placé dans le plan du méridien magnétique, si l'on dispose au milieu même du cadre une aiguille aimantée, si l'on vient à chauffer l'une des soudures B (fig. 3016), on voit l'aiguille dévier indiquant que le cadre est traversé par un courant.

Pouillet eut l'idée de mettre en série plusieurs éléments de piles thermoélectriques. La pile consiste en une série de cylindres soudés de bismuth B (fig. 3017) réunis par des lames C de cuivre. Toutes les soudures impaires plongent dans de l'eau chaude et les soudures paires dans de la glace.

Nobili unissait des barreaux de bismuth et d'antimoine soudés par les extrémités : a représente l'antimoine, b le bismuth (fig. 3018) et les soudures sont numérotées ; toutes celles d'ordre impair sont d'un côté, toutes les soudures paires de l'autre. Si on chauffe les soudures paires, par exemple, en refroidissant les autres, on obtient un courant. D'habitude, sur la chaîne MN, on place une feuille de papier verni, puis une seconde chaîne semblable à la première et reliée avec elle ; on continue une semblable superposition jusqu'à ce que la pile forme un parallélépipède que l'on mastique dans une pièce de cuivre, de façon que les soudures soient découvertes et présentent ainsi deux faces D et C (fig. 3019) que l'on enduit de noir de fumée afin qu'elles puissent plus facilement absorber la chaleur.

La face D contient, par exemple, les soudures d'ordre impair, et la face C les soudures d'ordre pair. Deux petites colonnes métalliques PP' isolées forment les deux pôles de la pile et servent à attacher le fil qui amène le courant. Pour protéger l'appareil coutre tout rayonnement latéral, on le munit de deux tubes, T,T', noircis intérieurement, qui s'ajustent sur les extrémités de la pile. Deux opercules S, S' permettent de découvrir la pile, et de laisser arriver sur elle les rayons calorifiques qui peuvent la venir frapper. Si la source de chaleur est très faible, on adapte à la face de la pile, tournée vers cette source, une boîte conique qui concentre vers la pile tous les rayons de chaleur qu'elle reçoit. Cet appareil a été appliqué par Melloni à l'étude de la chaleur rayonnante ; à cet effet, le courant est dirigé dans un galvanomètre à fil gros et court. On voit aisément que si on chauffe également des deux côtés de la pile, il ne se produira aucun courant, l'aiguille aimantée restera immobile. Mais si l'on chauffe seulement l'un des côtés, l'on obtiendra un courant dont le sens variera avec le côté de la pile qui recevra l'action de la chaleur. L'intensité de ce courant a une relation que l'on peut déterminer avec la chaleur rayonnée vers la pile.

La condition essentielle de production d'un courant dans un couple thermoélectrique est l'existence d'une différence de température entre les deux soudures des deux métaux. Là, c'est la chaleur qui est la source de l'énergie électrique.En maintenant l'une des soudures à 0°, et portant l'autre à des températures croissantes, on voit la force électro-motrice du couple croître progressivement ; elle atteint, en général, un maximum pour une certaine température de la soudure chaude qu'on appelle point neutre, et va ensuite en diminuant, jusqu'à devenir nulle pour une autre température qu'on appelle le point d'inversion; si l'on chauffe encore au delà, la chaîne devient le siège d'un courant de sens inverse.

Les f. é. m. des piles thermoélectriques obéissent aux deux lois suivantes :

Lois des températures successives. - Pour deux métaux donnés, la f. é. m dans le cas où les soudures sont respectivement à 0° et 100°, est la sommne des f. é. m. qu'on a, d'une part, entre 0° et une température intermédiaire quelconque, 70°, je suppose, et, d'autre part, entre 70° et 100°.

Lois des métaux intermédiaires. Étant donnés trois métaux : fer, cuivre et zinc, la f. é. m. du couple fer-cuivre entre 0° et 100° est la somme algébrique des f. é. m. des deux couples fer-zinc et zinc-cuivre entre les mêmes températures. Par exemple, entre le cuivre et le plomb, entre 0° et 100° on a

e_Cu-Pb = - 181 microvolts (millionièmes de volts)

Le signe - indique que le cuivre est négatif vis-à-vis du plomb, c'est-à-dire que le courant va du plomb au cuivre par la soudure chaude.

Pour le couple fer-plomb entre 0° et 100°, on a :

e_Fe-Pb = - 1233 microvolts.

Il en résulte que pour le couple cuivre-fer entre 0° et 100°, ou doit avoir :

e_Cu-Fe = e_Cu-Pb + e_Fe-Pb = - 181 + 1233 = +1152

Le signe + indique que le courant va du cuivre au fer par la soudure chaude

On voit que les piles thermoélectriques ont des f.é.m. extrêmement faibles. Aussi leur emploi dans l'industrie ne s'est-il pas généralisé. Dans les laboratoires, elles peuvent donner des courants mesurables, dans des résistances très faibles, parce que leur propre résistance, ne comprenant que quelques barres métalliques, est toujours extrêmement faible.

Elles servent, pratiquement, à mesurer des températures.

Citons l'emploi, peur la mesure des températures élevées, de la pile thermoélectrique Le Chatelier, formé d'un couple dont les métaux sont le platine et un alliage de platine avec 10 0/0 de rhodium.