Le brumisateur et les ondes de Faraday

Nous avons tous observer le brouillard issu d’un brumisateur : mais qu’est-ce qui crée ce brouillard ?

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

Prenons un verre en cristal que l’on remplit d’eau.
En mouillant légèrement le doigt et en frottant le bord du verre on met ses parois en vibration et on voit apparaître à la surface de l’eau les ondes de Faraday.
Cas de la fontaine brumisante :
Observons maintenant ce qui se passe lorsqu’on met en route une fontaine brumisante.
C’est un cristal piézoélectrique qui oscille à une fréquence très élevée (1,65 MHz). La fréquence du son émis est située dans les ultrasons donc on ne l’entend pas.
Cette onde émise par le cristal crée des ondes de Faraday qui génère des gouttes de très petites dimensions (gouttelettes de quelques microns) formant un brouillard tel celui qui existe dans la nature en présence d’un fort taux d’humidité.
Remarques :
En 1831 Faraday a étudié le comportement d’un liquide dans un récipient dont les parois étaient soumises à des excitations vibratoires.

Il s’est aperçu qu’au-delà d’une certaine fréquence la surface plane du liquide cesse de l’être et présente alors des structures périodiques. C’est un phénomène non linéaire comme pour les vagues scélérates.

On parle alors pour ce type de phénomène d’ondes de Faraday ou d’instabilité de Faraday.

Matériel
  • un verre en cristal

  • de l’eau

  • un cristal piézo-électrique contenu dans une fontaine brumisante

  • un becher

  • une paille

  • un vase décoratif

Montage et réalisation

Procéder de la façon suivante :

Prendre un verre en cristal que l’on remplit d’eau.

Mouiller légèrement le doigt et frotter le bord du verre.

Les parois du verre entrent en vibration et on voit apparaître à la surface de l’eau les ondes de Faraday générées par les vibrations transversales des parois du verre.

Placer ensuite un cristal piézo-électrique…

… au fond d’un becher que nous avons rempli d’eau.

Alimenter le quartz piézo-électrique…

… un nuage de gouttelettes d’eau se forme au dessus de la surface de l’eau qui apparaît comme de la vapeur d’eau.

Explications

Cas du verre d’eau :

Lorsque l’on frotte le bord du verre d’eau, on met en vibration transversale les parois du verre par un phénomène d’accroche, décroche du doigt mouillé sur les bords du verre comme le montre l’animation ci-dessous.

Lorsque l’on frotte le bord du verre d’eau, on met en vibration transversale les parois du verre par un phénomène d’accroche, décroche du doigt mouillé sur les bords du verre comme le montre l’animation ci-dessous.

On voit alors apparaître les ondes de Faraday à la surface de l’eau….

et vues de dessus :

Nous ne constatons pas l’apparition de gouttelettes d’eau en frottant le verre à vin car il faut une fréquence très haute pour faire « chanter » le verre et faire apparaître des ondes puis des gouttes. C’est très difficile d’atteindre cette fréquence manuellement.

On pourrait atteindre le phénomène avec un un haut-parleur.

Il est également possible d’observer la formation de gouttelettes d’eau à partir d’un bol tibétain en bronze en frottant les bords du bol à l’aide d’une mailloche recouverte d’un feutre comme le montre la vidéo suivante :

cas du brumisateur :

Il est possible de générer des gouttelettes d’eau à la surface de l’eau en utilisant un générateur piézo-électrique qui génère une vibration à 1,65 Mhz.

structure cristalline de pérovskite de formule .

le principe de ce générateur est basé sur le mouvement d’une pastille piézo-électrique (céramique PZT : Titano-Zirconate de Plomb) qui, sous l’excitation d’un signal électrique, se déforme à la fréquence du signal appliqué d’autant plus que la fréquence excitatrice est proche de la fréquence de résonance mécanique du cristal piézo-électrique.

Plongé dans l’eau le générateur crée des gouttelettes qui ont un diamètre de l’ordre du micron et génère un aérosol qui forme un brouillard au dessus de la surface de l’eau.

Autour du quartz sont disposées des LED de différentes couleurs qui éclairent le brouillard de couleurs changeantes.

On trouve dans le commerce, basées sur ce principe, des fontaines brumisantes dont le principe repose sur un tel système à ultrasons qui permet de transformer l’eau en brume et de diffuser des huiles essentielles à froid sans altérer leurs vertus thérapeutiques.

Remarques

En 1831 Faraday a étudié le comportement d’un liquide dans un récipient dont les parois étaient soumises à des excitations vibratoires.

Il s’est aperçu qu’au-delà d’une certaine fréquence la surface plane du liquide cesse de l’être et présente alors des structures périodiques. C’est un phénomène non linéaire comme pour les vagues scélérates.

On parle alors pour ce type de phénomène d’ondes de Faraday ou d’instabilité de Faraday.

Nous avons, d’autre part, mis en évidence les vibrations de la paroi du verre dans un autre clip vidéo intitulé : « Les verres qui chantent ».

Références

Le bol tibétain chantant, Université de Liège: https://www.ulg.ac.be/cms/c_1169714/fr/le-bol-tibetain-chantant

Projet gouttes, LPMC: http://physique.unice.fr/sem6/2008-2009/PagesWeb/Gouttes/accueil.html

Simulation num´erique des ondes de Faraday, Paris Orsay :http://www.pmmh.espci.fr/~laurette/papers/Perinet_Nicolas_article.pdf

Bases technologiques de la céramique piézoélectrique : http://www.ceramtec.fr/materiaux-ceramiques/ceramique-piezoelectrique/bases/

Le fonctionnement des céramiques piézoélectriques enfin expliqué : http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/biotech-chimie-thematique_6343/le-fonctionnement-des-ceramiques-piezoelectriques-enfin-explique-article_7339/

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