Sur un électromètre monofilaire de grande sensibilité
# Sur un électromètre monofilaire de grande sensibilité

1. On sait qu'un électromètre idéal exige, en plus de sa haute sensibilité à la charge et au potentiel, une période courte, un zéro stable, insensible aux vibrations mécaniques, aux fluctuations du voltage et de la température ; enfin, l'appareil doit, autant que possible, être robuste, de construction et de maniement simples, et ne pas présenter de trop grandes difficultés de réglage. Parmi les divers types couramment utilisés dans les laboratoires, nous n'en connaissons pas qui remplisse à la fois toutes les conditions énumérées ci-dessus. Il appartient aux chercheurs de choisir dans chaque cas le modèle le mieux adapté à l'ensemble des conditions de leurs travaux. Au cours de nombreuses expériences effectuées à l'aide des électromètres les plus sensibles, l'un de nous a pu comparer les avantages et les inconvénients de ces divers appareils. On a utilisé neuf types d'électromètres appartenant aux quatre groupes suivants :

Bien que l'électromètre Dolezalek soit très robuste et de réglage simple, il est loin d'être suffisant pour les mesures de très faibles courants. L'électromètre Beaudoin, de sensibilité analogue, présente quelques perfectionnements, notamment un petit électroaimant qui permet une mise au sol facile et un quadrant mobile qui permet de corriger la dissymétrie mécanique. Contrairement à l'opinion généralement répandue, la sensibilité à la charge du type Compton n'est pas considérable : d'après notre expérience, avec une suspension de 3 microns, elle est très peu supérieure à 10^(-4) u. e. s./mm ; quant à la sensibilité à la tension, de l'ordre de 5 m/V, elle peut dans les meilleures conditions, atteindre une dizaine de mètres par volt et même au delà, mais la mise au point est alors très délicate et le socle doit être extrêmement stable pour que le zéro soit fidèle : par exemple, une tablette murale en chêne massif, même très soigneusement installée, peut se déformer suffisamment sous l'influence d'une variation des conditions extérieures, pour provoquer un déplacement du zéro. Les principaux avantages du Lindemann consistent dans la possibilité d'utilisation en position quelconque et la faible durée de la période ; par contre, la sensibilité est souvent insuffisante ; de plus la suspension, constituée par un fil de quartz de 6 microns recouvert de métal pulvérisé, perd parfois assez vite à l'usage son revêtement conducteur, d'où nécessité de réparations plus ou moins fréquentes. L'électromètre le plus sensible est le modèle Hoffmann qui permet, en principe, de déceler une charge d'environ 1000 électrons, soit 5.10^(-7) u. e. s. par division ; mais ce degré de sensibilité implique des précautions très délicates et longues dans le réglage : par exemple, la nécessité d'opérer sous pression réduite et d'équilibrer deux séries de piles étalons par des systèmes de commande relativement compliqués ; en pratique nous avons pu, dans des mesures soignées effectuées sur les électrons de conversion interne du radioactinium, mesurer un courant de 200 électrons par seconde. L'inconvénient des lampes électromètres est le lent déplacement continu du spot, superposé à de petites fluctuations inévitables (bruit de fond). Grâce au progrès de la technique des lampes et au perfectionnement des circuits de compensation, on arrive cependant à réduire beaucoup cet inconvénient, mais il reste très difficile d'obtenir une grande stabilité pour des résistances supérieures à 5.10^(11) Ohm. Néanmoins les lampes électromètres rendent de grands services en raison de leur haute sensibilité, comparable à celle du Hoffmann, et de la facilité de leur mise en place. Les électromètres monofilaires tels que ceux de Wulf et de Pohl ou d'Edelmann présentent des qualités intermédiaires entre celles des divers modèles précédents : robustesse, période courte, stabilité de zéro, simplicité du réglage sont autant de qualités précieuses pour la mesure des faibles charges ; cependant, nous avons eu l'occasion de constater que dans ces appareils, certains défauts de fonctionnement subsistent, qu'il peut être utile de corriger tout en améliorant également la sensibilité ; celle-ci, déjà assez élevée, de l'ordre de 5.10^(-14) Cb, n'est cependant pas comparable à celle de l'électromètre Hoffmann.

2. En tenant compte des remarques précédentes, nous avons construit un modèle monofilaire qui permet d'obtenir une amélioration assez notable sur les précédents, notamment dans la sensibilité.

Les modifications effectuées sont les suivantes :

3. Pour pouvoir utiliser un fil de ce diamètre, nous avons mis au point la technique de préparation suivante : on prend un fil de longueur un peu supérieure à celle des couteaux, c'est-à-dire d'environ 7 cm, que l'on soude par une de ses extrémités au bout de la tige supérieure de l'équipage ; on replie l'autre extrémité sur une longueur de 2 à 3 mm, on le soude à lui-même et l'on enrobe le petit crochet ainsi formé d'une pellicule de piscéine qui permet d'introduire le fil dans une solution nitrique à 50 pour 100 sans que cette partie soit attaquée ; la soudure alourdit le fil juste assez pour que, l'argent une fois dissous, il reste verticalement dans le liquide sans risquer, par flottement, de se coller à lui-même ou à la paroi. La difficulté principale de l'opération consiste à régler la quantité de soudure et la forme de la goutte de piscéine de manière à éviter la rupture du fil, extrêmement fragile, soit dans le bain, soit au moment où on l'en retire. Le rinçage dans l'eau distillée et le recuit dans une très petite flamme se font à la manière habituelle.

4. L'ensemble des perfectionnements qui viennent d'être indiqués permet d'obtenir un progrès notable dans la sensibilité. Dans le graphique ci-dessous, on donne la sensibilité à la charge en fonction de la tension mécanique du fil, pour diverses positions des couteaux. En ordonnées, on a porté la charge qui fait dévier l'image du fil d'une division de l'échelle arbitraire d'un micromètre comportant 200 divisions. Une division du micromètre projetée sur une règle à 1 m de distance couvre 2,8 mm, ce qui correspondrait dans l'observation habituelle à l'aide d'un miroir, à une sensibilité maximum de l'ordre de 3.10^(-15) Cb/mm. Pratiquement, une charge de cet ordre est encore décelable par observation directe.

5. Ainsi, un électromètre de type monofilaire équipé d'un fil de 1 micron convient particulièrement aux mesures de très faibles courants tels que les courants photoélectriques ou radioactifs. Par exemple, une montre à aiguilles lumineuses posée sur la partie supérieure d'une chambre d'ionisation donne, à travers une mince feuille d'aluminium, une vitesse de déviation du fil de l'ordre de 2 divisions par seconde. Un autre exemple montre la faible inertie de l'équipage : un conducteur traversé par le courant du secteur induit, par influence, à une distance de 20 cm, sur la tige isolée dépourvue de protection électrostatique, une charge variable à la fréquence du courant, qui fait vibrer le fil de l'électromètre autour de sa position d'équilibre. L'amplitude de l'oscillation dépend de la distance du fil inducteur à la tige influencée, et de l'intensité du courant. Le fait que les bords de la bande sont plus nets que le milieu montre que l'oscillation est bien sinusoïdale. Il semble donc que cet électromètre puisse être utilisé comme un oscillographe de basse fréquence.

6. Il nous semble intéressant d'indiquer aux chercheurs non familiarisés avec les électromètres sensibles quelques conseils techniques afin de leur éviter d'inutiles tâtonnements.

* Archives Éliane Montel.
* Mise en page par Paul-Eric Langevin.
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* ↑ Charles Beaudoin (1845-1916), constructeur d'instruments scientifiques. Cf. Denis Beaudoin, Charles Beaudouin, une histoire d'instruments scientifiques, EDP Sciences, 2005.
* ↑ Ouang Te Tchao, Jean Surugue et Mlle Marguerite Perey, Comptes-rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences, 1944, 218, 190.
* ↑ Ouang Te Tchao, Fils fins en silice et à la Wollaston, Techniques générales du laboratoire de physique (Jean Surugue), volume II, pages 107-118.
