TPE SUR LE VIDE EN PHYSIQUE

« Signalons à ce propos qu'il s'agit là justement de la taille d'une étoile à neutrons ...

LE VIDE ET LE BIG -BANG La physique moderne, dite aussi quantique, est née vers la fin des années 1920 .

L'une des nouveautés qu'elle apporte par rapport à la physique classique est le fait que le principe de conservation de l'énergie peut être violé, à condition toutefois que cela ne dure pas longtemps.

Plus précisément , la durée pendant laquelle ce principe est violé doit être d 'autant plus courte que l'énergie mise en jeu est importante .

À titre d'exemple , si cette énergie vaut Hl"" joule, la durée ne peut dépasser un milliardième de seconde; et si l'énergie est de l'ordre de celle d'un photon visible , elle ne pourra dépasser JO· " secondes .

Autrement di~ des photons visibles peuvent naître du vide et disparaître presque aussitôt.

Ainsi, selon la physique quantique, le vide est un lieu dont l'énergie fluctue et où des particules apparaissent et disparaissent sans cesse .

Le vide n 'est donc pas rien, et à ce titre , il n'est pas identifiable au néant des philosophes .

On pense que ce sont les fluctuations du vide qui sont responsables de la désexcitation d 'un atome qui se trouve dans un état excité.

Si le vide était le néan~ un atome excité ne se désexciterait pas.

Puisque le vide n'est pas rien, cela implique qu'il puisse changer, de même que la matière change .

Les physiciens parlent de " changement de phase ».

C'est consécutivement à un tel changement de phase du vide que le Big-Bang aurait donné naissance à notre Univers .

Ce dernier ne serait ainsi pas né de rien, mais de presque rien ! étudié et expérimenté .

On montre qu'entre deux petites plaques métalliques placées l'une en face de l'autre et séparées d'une très faible distance (de l'ordre du micromètre).

le nombre de photons issus des fluctuations du vide est plus faible que dans une région non limitée par des plaques.

Autrement di~ le vide entre les plaques est davantage vide que celui à l'extérieur, de l 'autre côté des plaque s.

Cela signifie que l'énergie du vide est plus faible dans une telle cavité qu'à l'extérieur.

La pression (quantique) est donc plus faible entre les plaques .

Par conséquent, les plaques doivent se rapprocher.

C'est effectivement ce que l'on observe expérimentalement.

PRODUCTION DU VIDE Il existe une grande variété de pompes permettant de produire du vide , dont il ne sera possible ici que de décrire quelques unes .

Ce qu'il faut savoir cependan~ c 'est qu'aucune pompe ne permet de passer de la pression atmosphérique à un vide très poussé.

En effet, chaque pompe fonctionne dans une certaine gamme de pressions limitée par une pression d 'amorçage et une pression minimale produite .

Certaines pompes permettent d'obtenir des vides primaires seulemen~ et celles qui permettent la production de vides plus poussés n 'y parviennent qu'à partir de vides primaires ...

"Vide primaire » , sign ifie un vide obtenu à partir de la pression atmosphérique .

Il existe trois grandes classes de pompes.

Les pompes mécaniques ; les pompes hydrodynamiques encore appelées machines à jets ; les pompes à fixation ou condensation.

Lu POMPES MÉCANIQUES Les pompes mécaniques fonctionnent toutes par le jeu de mouvements de p ièces : le gaz est aspiré à un endroit et refoulé à un autre .

La pompe à palettes est la pompe primaire la plus l'isolement de ce volume puis le refoulement du gaz qu'il enferme .

Avec les pompes à palettes on obtient des pressions de l'ordre de JO·' Torr , soit de l'ordre de un million de fois plus faible que la pression atmosphérique.

Signalons que chaque centimètre cube d 'air autour de nous contient plus de JO~ molécules .

Avec une pompe primaire, cette densité atteint donc 10"/cm'.

La limitation des pompes à palettes à JO·' Torr provient du fait qu'elles mettent en jeu de l'huile et que celle -ci, comme tout liquide , se volatilise sous vide .

LEs POMPES HYDRODYNAMIQUES Une fois le vide primaire obtenu, on améliore le degré de vide souvent en employant une " pompe à diffu sion d'huile » .

Le principe ici consiste à porter d 'abord une huile à ébullition .

Les vapeurs émises sont canalis ées vers un éjecteur qui les projette à grande vitesse , entraînant les molécules de gaz rencontrées sur son passa ge.

L'huile atteint ensuite une paroi refroidie par une canalisation d 'eau :elle s'y condense avant de retourner vers le chauffage .

Les pompes à diffusion permettent d 'abaisser la pression d'un facteur 1 million encore .

On atteint ainsi 107 molécules par centimètre cube .

LU POMPES À FIXATION Contrairement aux pompes mécaniques et hydrodynamiques qui évacuent le gaz à l'extérieur , les pompes à fixation retiennent les gaz sur une surface grace à la cryogénie par exemple .

Avec ces pompes, on abaisse la pression d'un facteur 1 ooo encore attei gnant ainsi 10 000 molécules par centimètre cube .

Il s'agit du vide le plus pouss é que l'on puisse obtenir .

QUELQUES APP LICATIONS INDUSTRIELLES DU VIDE L'une des conséquences des couramment employée .

La rotation du Les procédés industriels mettant en fluctuations dont il a été question plus s ystème tt palette s dans une enceinte jeu le vide sont très nombreux et va riés haut est un phénomène tout à fait cylindrique déplace le gaz.

Ce dernier allant de la production de café à la DÉP6T MINCE Il est parfois nécessaire de déposer sur un objet une fine couche d'une autre substance , comme par exemple dans le cas du dépôt antireflet sur les verres de lunette .

Cela se fait souvent en évaporant la substance sous basse pression, puis en la faisant se condenser sur le substrat L'épaisseur de la couche déposée est facilement contrôlable .

LE VIDE COMME ISOLANT THERMIQUE Le vide s'opposant à la transmission de la chaleur par diffusion et convection , il constitue un bon isolant thermique.

C'est la raison pour laquelle les bonnes bouteilles Thermos sont constituées de deux récipients emboîtés l'un dans l'autre , séparés par un bon vide .

INDUmiE AUMENTAIIE Dans l'industrie alimentaire , on cherche à faire le vide principalement pour améliorer la conservation en éliminant l'oxygène qui a tendance à réagir chimiquement : café, jambon, beurre, produits fr11is, cacahuètes ...

sont produits et scellés sous vide .

Mais la conservation n 'est pas l'unique raison .

Il y en a d 'autres ...

Par exemple, le remplissage d'une bouteille à l'air libre se fait relativement lentement, car le liquide doit chasser l 'air hors de la bouteille pour prendre sa place .

Cela se fait beaucoup plus rapidement dans le vide .

La /yophlliSIItlon est une spectaculaire que l'on appelle l'« effet pénètre d'abord dans une chambre fabrication de tubes cathodiques des technique qui met en jeu également le Casimir », du nom du physicien qui l'a qui se dilate.

La rotation entraîne téléviseurs .

vide : on congèle, puis on abaisse la ___ ..;...

___ ..;...;...._...;.._....1...;..-----------...1.-------------l pression, ce qui a pour effet de faire Principe de fondionnement des pompes à vide 1-+~-E---- Trajet de la vapeur d'huile •J..I---- Paroi refroidie l+~h- + -Éjecteur sublimer l'eau (passage de l'état solide à l'état gazeux ).

rAtiOSPIITIAl Les instlllltlfions de sl•ulllfion sptditlle sont de taille très variable mais lorsqu 'il s 'agit de faire des essais afin d 'étudier le comportement des engins à très basse pression , on est obligé de créer des chambres où le vide est très poussé .

Le grand simulateur du CNES qui fait environ 600 m ' en est un bon exemple .

LA MÉTIIUUIGIE n LE PI.IISTIQUE Certains métaux imposent une élaboration en atmosphère neutre.

Or le vide est l'atmosphère neutre par excellence ...

Cette métallurgie est notamment mise en œuvre pour la production de certains aciers.

Dans l'industrie des matières plastiques , notamment pour la fabrication des moulages , le vide permet d 'éviter la présence de bulles: on obtient ainsi des surfaces parfaitement lisses .

riNDUmiE DU FIOID L'évaporation d'un liquide absorbe de la chaleur.

On s'en rend compte lorsque l'eau sur notre peau s'évapore: on a froid .

Si l'on place un verre d'eau sous une cloche à vide, son évaporation forcée se traduit par un important refroidissement.

Actuellement les très basses températures produites pour la recherche fondamentale sont notamment obtenues grace à cette technique dite de " refroidissement par évaporation » .

Signalons aussi que certains distributeurs de glaçons fonctionnent sur ce principe : le vide est fait au-dessus de l'eau ; celle-. »