Sciences - Rapports

Un super site :

http://www.mesures.com/archives/642FICHE%2043.pdf


Est expliqué clairement :

_ le ressuage
_ la magnétoscopie
_ les courants de Foucault
_ les ultrasons
_ la radiographie

1.            LA BULLE

1.1          La forme sphérique

Il y a beaucoup d’éléments qui adoptent une forme géométrique stable. Une bulle de savon forme une sphère parfaite, lisse à l’échelle atomique et très peu déformable. Ainsi on comprend que la surface d’un liquide est donc comme une membrane tendue, caractérisée par une tension superficielle (ou tension de surface), qui s’oppose à ses déformations.

2.1.1 Définition de la tension superficielle

La tension superficielle ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.

Quelques observations simples mettent en évidence ce phénomène :

·              Un insecte capable de marcher sur l’eau

·              Une pièce de monnaie flottant dans un verre

·              Une bulle de savon

La tension superficielle dépend du liquide et de la nature de l’autre partie de l’interface (gaz, air, métal, verre, …).

2.1.2 Mécanisme  de la tension superficielle

La tension superficielle g  est la force appliquée perpendiculairement à la surface.

g=f/l

g en N.m^-1 ou en J.m^-2

 f en N et l en m.

Dans un liquide les molécules sont soumises à plusieurs forces:

·              Van der Waals (attraction)

·              Électrostatiques (attraction ou répulsion)

Conséquence : Dans le cas d’une bulle de savon, qui est une mince couche de liquide emprisonnant une poche de gaz (air), celle-ci garde sa cohésion grâce à la tension superficielle. Tel qu’il existe une relation en pression intérieure et pression extérieure :

P_i – P_e = 4g/ R                       (1)  équation de Laplace

  Ou R est le rayon de la bulle.

De plus pour une bulle de savon, les tensioactifs contenus dans le film diminuent la tension superficielle, car ceux-ci dilatent la surface s’opposant à la tension de surface.

2.1.3 La forme sphérique

Comme nous l’avons vu, à l’intérieur d’un liquide les molécules s’attirent entre elles ; l’état d’équilibre est donc toujours celui où la surface de contact entre le liquide et l’air est la plus petite. C’est à dire la sphère car elle satisfait l’équation de Laplace (1).

Pour le liquide savonneux la forme stable est une goutte sphérique. Une bulle est un système hors d’équilibre donc instable : à la moindre petite fuite, elle se déchire et redevient une goutte.

C’est pour cela que les bulles ont une durée de vie aussi limitée et qu’elles éclatent aussi facilement à la moindre perturbation.

2.1    La durée de vie d’une bulle

Nous avons vu que la bulle prenait une forme sphérique pour répondre au théorème de Laplace. Qui plus est, l’équilibre de cette forme est vraiment très instable. Donc on peut se demander comment se maintient-elle quelques secondes voire quelques minutes en l’air pour finalement disparaitre ?

Schéma d’une paroi de bulle de savon

2.2.2  L’éclatement

On peut considérer qu’il existe trois facteurs pouvant provoquer l’éclatement :

·              Le drainage.

La gravité entraine le liquide savonneux a s’écoulé entre les deux parois. Progressivement le film devient de plus en plus épais en bas alors qu’en haut il s’amincit, jusqu’à ce qu’il devienne trop fin et se rompt.

·              L’humidité et la température.

Une bulle placée au soleil ou près d’une source de chaleur durera moins longtemps. En effet, la chaleur évapore l’eau de la paroi, et donc la fragilise.

A l’inverse un climat plutôt humide et froid favorisera la longévité de la bulle de savon.

·              Les forces de pression.

Les forces de pression à l'intérieur de la bulle ainsi que celles à l'extérieur sont une cause d'éclatement. En effet, une bulle renferme un certain volume de gaz, donc elle est constamment soumise aux forces de pression intérieure qui dilatent la bulle, l'étirent. Tandis que les forces de pression extérieures contractent la bulle pour la rendre plus petite.

Donc la bulle est soumise à des forces qui essayent de l'étirer et de la contracter simultanément : la bulle est en équilibre au niveau des forces.

En effet, la bulle s'étire jusqu'à ce que les pressions intérieures et extérieures à la bulle soient identiques. Cette dernière acquiert donc une certaine stabilité. Si en quelque endroit de la bulle, l'interface entre les deux couches d'air ne sont pas similaires (ex : écoulement de l’eau), les pressions appliquées au film n'influent pas de la même manière dessus : un point " moins épais " par exemple sera plus fragile. La bulle éclatera.

Remarque.

Plus le volume d’une bulle augmente plus celle-ci vie longtemps car le drainage de l’eau prendra plus de temps pour s’effectuer.

Durée de vie d’une bulle en fonction de son diamètre

En revanche pour de très gros volumes ce n’est pas le cas. Etant donné que la quantité de tensio-actif est fixée au départ, si on augmente la surface les tensio-actifs auront une densité plus faible que dans une petite bulle

Toujours penser à:
_ mettre des légendes au photos (même en couverture)
_ mettre des titres aux tableaus et illustrations: mieux vaut mettre un titre qui nous semble logique que pas de titre du tout.

Sur la page de couverture ne pas mettre une photo simplement pour faire joli, mais vraiment en rapport avec notre sujet.

Pompe turbomoléculaire

(Lorsqu’un gaz raréfié se trouve entre deux surfaces rapprochées, l’une fixe (stator) l’autre mobile (rotor), la surface mobile entraîne les molécules de gaz.)

Principe de fonctionnement :

Turbine composée d’un empilement de rotors et stators à ailettes, tournant à grande vitesse, et imposant aux molécules la direction vers la sortie. 

Domaine de pression : de 10 mbar à quelques 10^-10 mbar

Débit volume disponible : 3.3 m³/h

Qualités : Capable de faire un vide poussé en quelques minutes. Vide propre, pas de vapeur d’huile.

Limitations : Usure des roulements dus à la vitesse de rotation du rotor. La pompe doit être changé ou réparée fréquemment (tous les 2 ans environ). Sifflement à haute fréquence

Schéma explicatif de la pompe turbo

Pompe à palettes

(C’est la pompe primaire du TMS)

Principe de fonctionnement :

Pompage par emprisonnement d’un volume de gaz à pression faible, puis compression de ce gaz et évacuation à pression atmosphérique.

Domaine de pression : De la pression atmosphérique à 10^-3mbar

Débit volume disponible : De 1 à 60 m³/h

Qualités : Très robuste, grande espérance de vie, de maintenance simple si faite rigoureusement

Limitation : C’est une pompe à joint d’huile, donc sujette à être source de pollution par des hydrocarbures, qui rétrodiffusent dans les canalisations vers le haut vide.

Schéma explicatif de la pompe à palette

5.          Les appareils de mesure topographique

5.1.            Le profilomètre Dektap 32 : méthode mécanique

Le système de mesure utilise une méthode purement mécanique. Par rapport à un microscope à force atomique, la force appliqué par la pointe est beaucoup plus faible (ici la force appliquée correspond à 3mg soit environ 30mN). Nous mettons en contact la tête de lecture en diamant et la plaque de verre aux bords du dépôt (là où les plaquettes en inox masquaient le verre de la pulvérisation). La pointe va se déplacer sur la surface en suivant la dénivellation. Les déplacements sont traités par ordinateur.

Les résultats des mesures d’épaisseurs en vertical avec cette méthode sont donnés à 40 Å près.

5.2.            La station de mesure RM600 3-D : méthode optique

On utilise la station de mesure topographique Feinprüf Perthen RM600 3-D pour des mesures d’état de surface sans contact. Celle-ci permet d’obtenir la topographie d’un dépôt fragile ce qui est intéressant ici, puisque le carbone sous forme graphite est assez friable.

On éclaire l’échantillon à l'aide d'un faisceau laser et on réalise l'image du point incident à travers un objectif sur un capteur. Si l’altitude du point d’incidence change lors d’un déplacement, l’image de ce point va se déplacer sur le capteur. On pourra alors, en se déplaçant, restituer la topographie de l’échantillon.

La résolution verticale est de 5 nm.

5.3.            Le microscope électronique à balayage 

La microscopie électronique à balayage « Scanning Electron Microscopy » est une technique fondée sur la détection des électrons secondaires qui émergent sous l’impact d’un très fin faisceau d’électrons primaires balayant la surface observée.

Étant donné qu'ils proviennent des couches superficielles, les électrons secondaires sont très sensibles aux variations de la surface de l'échantillon ; la moindre dénivellation va modifier la quantité d'électrons collectés. Ces électrons permettent donc d'obtenir des renseignements sur la topographie de l'échantillon.

On obtient des images avec une résolution verticale entre 3 et 5 nm.

5.4.            Comparaisons des méthodes de mesures

En théorie les trois méthodes ont une résolution similaire en vertical. En pratique il n’en est pas de même. La station de mesure RM 600-D donne des résultats en micromètre au 1/100^ème, sa résolution ne peut donc pas être de 5nm mais plutôt de 20nm d’après un technicien. Cette station est donc celle qui donne les mesures avec le plus d’incertitude. Je présenterais dans mon rapport les résultats obtenus avec le profilomètre, car j’ ai effectué les mesures moi-même contrairement au microscope électronique à balayage.

 
n°3 : Graphe des différentes mesures de topographie pour un même échantillon

A part pour la mesure de la station RM600 sur la position A, les épaisseurs mesurées avec les trois méthodes restent relativement les mêmes; en effet chaque position (A, B, C, D, E) s’étale sur une surface de 1cm. Selon où a été effectuée la mesure, l’épaisseur peut varier d’une cinquantaine de nanomètres.