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D’où vient le champ magnétique terrestre ?

jeudi 2 juillet 2020 à 19:49

Des aurores polaires.
La Terre possède une magnétosphère : notre planète produit un champ magnétique - le champ magnétique terrestre - autour d'elle.

Ce champ magnétique est important pour nous et pour la vie en général : il agit comme un bouclier nous défendant contre les vents solaires. Ces vents sont des flux de particules chargées et seraient autrement fatals pour une très grande partie des espèces vivantes et finiraient de plus par souffler notre atmosphère.

Le Soleil, Jupiter ou Saturne ont également une magnétosphère. La Lune, Mars ou Vénus n'en ont pas ou plus. On peut donc se demander pourquoi la Terre et certaines planètes en ont un et d'où il vient.

La source d'énergie de ce champ magnétique

La planète Terre a une croûte solide (le sol, rocheux) mais un cœur métallique composé de fer et de nickel en partie liquide, fondues à cause de la chaleur. Le fer et le nickel, très denses, se sont retrouvés là par gravité lors de la formation de la Terre.
Le fait que noyau terrestre soit en partie liquide est important : cela implique qu'il y a des mouvements de convection thermique au sein de notre planète. Le fait que le noyau soit métallique est également crucial car cela implique que le noyau terrestre est conducteur d'électricité et de champs magnétiques.

En plus de ces renseignements sur la structure interne de la Terre, il faut ajouter le fait que la planète est en rotation autour d'un axe. C'est trivial, mais important pour principalement deux raisons.

Premièrement, la rotation de la Terre (comme sa chaleur interne) constitue une réserve d'énergie. Si vous avez une énorme masse rotative, vous pouvez y fixer un engrenage avec des élastiques et vous en servir pour soulever des objets pour alimenter une dynamo et produire de l'électricité, au moins jusqu'à ce que la masse en rotation ait épuisé sa rotation et qu'elle s'arrête de tourner. Dans un yoyo par exemple, c'est la rotation du yoyo qui lui permet de remonter.

Deuxièmement, tout comme la rotation terrestre est responsable de l'apparition des cyclones au sein de l'atmosphère, elle est également responsable de l'apparition de colonnes de lave en rotation au sein de la partie liquide du noyau terrestre.

Pour résumer : la Terre est en rotation et cela crée des masses de fer liquide et conducteur en rotation dans le noyau. Si vous voyez venir le mécanisme de formation d'un champ magnétique avec ça, c'est normal ! Mais tout n'est pas encore en place pour autant.

L'effet dynamo

Pour le moment, nous avons une masse conductrice liquide en rotation. Or cela ne suffit pas pour créer et entretenir un champ magnétique. Il faudrait, par exemple, un champ magnétique extérieur baignant la Terre : ce dernier induirait un courant dans le noyau métallique qui produirait le champ magnétique terrestre.
Le problème, c'est que la Terre ne baigne pas dans un champ magnétique externe. Pas un champ suffisamment puissant en tout cas.
Aussi, s'il y avait eu une impulsion magnétique ponctuelle, un courant électrique apparaîtrait dans le noyau terrestre, mais il se dissiperait très vite et le champ magnétique terrestre s'évanouirait rapidement également.

De toute évidence, la Terre possède un champ magnétique bien réel. L'explication actuelle pour le champ magnétique terrestre est l'effet dynamo.
Il n'explique pas encore l'origine du champ magnétique, mais il explique comment ce champ - présent - arrive à se maintenir sans disparaître.

Prenons donc la planète Terre telle que je l'ai décrite ci-dessus : avec un noyau métallique liquide et en rotation.

Posons l'hypothèse que la Terre ait été par le passé dans un champ magnétique externe préexistant. Comme je l'ai dit plus haut, ce champ va induire un courant dans les parties liquides du noyau, et ce courant va produire un champ magnétique terrestre, opposé au champ extérieur.

Maintenant, il faut tenir compte des phénomènes de convection dû à la chaleur interne à la Terre et des phénomènes de rotation des masses liquides dus à la rotation de la Terre. Ce sont les deux sources d'énergie primaires qui vont peu à peu se convertir en énergie électromagnétique et rayonner un champ magnétique.

Ces "cyclones" de métal fondus dans le noyau externe prennent la forme de cylindres rotatifs qui vont s'aligner avec l'axe de rotation de la Terre (donc selon l'axe nord-sud). En faisant cela, les lignes de courant électrique induites par le champ magnétique vont être comme enroulées sur elles-mêmes formant une bobine, et étirées en longueur par la convection. Les lignes de courant électrique s'allongent : c'est donc si la bobine inductive devenait plus grande et le champ magnétique plus fort.

On a donc un effet où la bobine s'étire et permet d'augmenter la quantité d'énergie magnétique provenant de la convection thermique et de d'effet de Coriolis dû à la rotation de la Terre.

Résultat, le champ magnétique terrestre, au contraire de se dissiper, parvient à se maintenir : la rotation terrestre et la convection dans le noyau pompant sans cesse de l'énergie dans le système électromagnétique pour compenser les pertes.

Maintenant, vu que de l'énergie magnétique est produite, le champ magnétique de départ, celui dans lequel on a dit que la Terre baignait, peut disparaître : il n'est plus nécessaire.
Le champ magnétique produit se maintient grâce aux couches de métal liquide en fusion qui remontent à la surface.

Quand ces couches arrivent à la limite externe du noyau, il n'y a plus de convection (dans cette couche) et le champ disparaît. Mais c'est sans compter que son champ aura induit des courants électriques dans les couches en dessous, qui vont eux aussi produire leur champ magnétique, et perpétuer la production du champ magnétique.

Ainsi, tant qu'il y aura de la convection dans le noyau et une rotation de notre planète produisant des forces de Coriolis, le champ magnétique se maintiendra.

Les mouvements de convection sont complexes et ont des composantes chaotiques et peuvent parfois changer de sens. Il est donc possible que le champ magnétique terrestre évolue et que les pôles magnétiques changent bougent et peuvent même s'inverser. Dans l'histoire de notre planète, ces inversions ont eu lieu 300 fois au cours des 200 derniers millions d'années, soit tous les 660 000 d'années environ ; la dernière a eu lieu il y a environ 780 000 ans.

Un phénomène encore mal expliqué

Je l'ai dit en introduction, si la source du champ magnétique planétaire porte le nom d'effet dynamo et qu'il y a de bonnes bases théoriques pour les expliquer, son origine reste inconnue. Comme dit, il a fallu un champ magnétique initial, même faible ou local.

Cette source reste inconnue, mais si elle n'avait pas été présente dès le départ, la vie ne se serait probablement pas développée, en tout cas pas autant ni aussi bien sur cette planète. Il s'agit d'un des nombreux paramètres qui ont donné à la Terre les ingrédients nécessaires pour permettre l'apparition et le maintien de la vie, et qui peut expliquer pourquoi la vie soit finalement quelque chose de bien plus rare que ce que l'on avait au départ imaginé.

En plus de cela, la forme du champ magnétique et des lignes de champ sont complexes et dépendent de beaucoup de choses : fluidité du magma, variations locales de température, composition chimique du magma...
Les simulations numériques peinent encore à rendre compte des observations réelles, même si l'on s'approche peu à peu d'un modèle fonctionnel.

image d’en-tête de Alex Berger

Qu’est ce qu’un contact ?

mardi 23 juin 2020 à 05:49

L’atomium de Bruxelles.
Nulle mention ne sera faite ici de lentille de contact ou d’un ami dans son répertoire téléphonique : par « contact » ici, je vais parler du phénomène qui entre en jeu lors d’un contact matériel entre deux objets, deux surfaces.

Toucher quelque chose du bout des doigts, comme les touches du clavier avec lequel j’écris cet article ou votre souris ou écran tactile quand vous le lisez, est quelque chose d’anodin. Mais si vous avez eu des cours de physique au collège, et que vous ayez suivi, une question doit bondir.

En effet, on apprend assez tôt en physique que la matière est formée d’atomes et que les atomes sont essentiellement du vide ! Si un atome faisait la taille d’un stade de foot, une épingle plantée au milieu représenterait le noyau, et les mouches qui volent représentent des électrons. Tout le reste, tout l’air du stade, n’est que de l’espace vide. Du vide.

De là, tout comme deux nuées d’oiseaux peuvent s’entrelacer sans qu’aucun oiseau n’en heurte aucun autre, grâce à l’espace vide entre chaque animal, deux surfaces faites d’atomes devraient pouvoir s’entrelacer et se traverser, non :

Deux nuages d’atomes qui s’entrelacent
Manifestement, cela n’arrive pas : quand j’appuie sur mon clavier, la touche s’enfonce et mon doigt ne traverse pas le clavier.

Il y a donc quelque chose qui se passe.

Une histoire de champ de force

Un atome est souvent vu comme un noyau autour duquel gravitent des électrons. Cette représentation simple et facile à comprendre reste loin de la réalité.

Pour commencer, les électrons ne gravitent pas : la gravité n’intervient pas ici. Les forces actives ici sont les forces électromagnétique. Des phénomènes purement quantiques interviennent également, empêchant par exemple les électrons (négatifs) de tomber directement sur le noyau (positif), et les maintenant sur leur orbitale électronique.

Un électron, par ailleurs, n’est pas réellement une particule au sens matériel d’une petite bille (aucune particule ne l’est vraiment). La taille de l’électron par exemple, n’est pas définie. Il y a des hypothèses disant que l’électron a une dimension purement ponctuelle. Ce qui est alors mesurable n’est alors que sa sphère d’influence.
En ce qui concerne cette sphère d’influence de l'ensemble des électrons dans un atome, on appelle ça le « nuage » ou « cortège » d’électrons (ou électronique). Or, les électrons sont tous chargés de façon négative : deux électrons quelconques ne peuvent donc que se repousser.

Quand deux atomes non réactifs arrivent l’un sur l’autre, ils vont donc se repousser : les atomes sont entourés d’un nuage d’électrons chargés négativement, agissant en véritable champ de force électrique négatif (on ignore ici le fait que deux atomes peuvent également réagir chimiquement, mais on obtient alors une molécule, avec un nuage électronique partagé par les atomes, et qui agira de façon identique) :

contact avec champ de force
L’idée est donc que le champ électrique répulsif des électrons d’un objet repousse le champ électrique d’un autre objet, et donc les deux blocs de matière se repoussent.

Intensité de ce champ de force

La force électrique (et magnétique) est très intense, en particulier si on la compare à la force de gravitation. On parle ici d’un facteur $10^{35}$ entre les deux forces !

Pour donner une idée : n’importe quel aimant peut soulever un petit clou. Si on fait le bilan des forces sur le clou, on voit que le petit aimant arrive par sa force magnétique à vaincre la force de gravitation exercée par la planète Terre toute entière sur ce même clou.
N’oubliez pas : la gravité qui nous maintient au sol, est la force exercée par une planète de $6 \times 10^{21}$ tonnes ! Et à chaque fois qu’on soulève quoi que ce soit, on vainc la force d’une planète.

Le champ de force électrique au sein de la matière empêche celle-ci de s’effondrer sur elle-même. C’est cette force qui empêche les noyaux atomiques de s’approcher plus qu’ils ne le font. C’est ça qui donne du volume (rempli de vide, donc) à la matière, et c’est elle, enfin, qui fait que deux blocs de matière ne se traversent pas l’un l’autre.

Cas particuliers

Mettre deux objets en contact c’est donc comme faire léviter un objet au-dessus d’un autre, à une hauteur d’une fraction de diamètre atomique, soit quelques picomètres seulement.
Parfois la matière peut aussi réagir différemment, et ça on l’a tous déjà observé avec de la colle. La colle est une substance qui reste accrochée à la matière. On utilise ainsi de la colle pour fixer un cadre au mur.

Les liaisons chimiques

S’il n’y avait que la force électrique qui agissait sur la matière, tous les atomes se repousseraient. Dans la réalité, on arrive à mettre des atomes ensembles au sein de molécules et des cristaux. Ce sont les liaisons chimiques qui permettent ça : des comportements d’origine quantique qui font que les électrons restent à leur place au sein de plusieurs atomes, formant les molécules.

Ces liaisons maintiennent entre eux des nuages électroniques qui normalement se repousseraient.

Les liaisons hydrogène, elles, utilisent la force électrique pour maintenir deux groupes moléculaires ensemble. L’hydrogène et tout petit et peu massif. Au sein de certaines molécules, son unique électron est quasiment toujours tiré vers l’atome auquel il est lié. L’hydrogène expose donc globalement son noyau chargé positivement, et le reste de la molécule se charge négativement. Ceci permet à des molécules de s’enchaîner ensembles et donc de rester collées.

Parfois, une longue molécule peut se recroqueviller sur elle-même grâce à des liaisons hydrogène entre différentes parties de la même molécule. C'est le cas par exemple des protéines dans les cellules du vivant, et même de l'ADN. Une partie de la recherche en biologie consiste à découvrir la façon dont ces molécules sont repliées, avec de comprendre comment l'on pourrait synthétiser ces protéines nous mêmes ou même les détruire (protéines d'un virus dangereux, par exemple).

Les forces de Van der Waals

Dans le cas de la colle dont je parle au-dessus, des forces moléculaires interviennent, en particulier les forces de Van der Walls. Les liaisons de Van der Waals sont un cas plus global des liaisons hydrogène.

Ces forces prennent leur source dans la structure d’une molécule. Certains atomes dans une molécule ont tendance à attirer les électrons vers lui : c’est comme si la couverture électronique était tirée sur lui par un des atomes. Cette couverture étant négative, la molécule toute entière se polarise : une partie devient négative et l’autre positive. La colle s’accroche à la matière en faisant s’attirer ses propres régions négatives avec des régions positives de la matière. Ce ne sont pas des liaisons atomiques à proprement parler, mais des forces intermoléculaires.

La colle qui colle, la peinture qui reste sur sa toile, la patafix®, les sticky-pad pour téléphones, tous fonctionnent grâce à ce procédé. Le teflon au fond des casseroles fonctionne également comme ça, mais avec un but opposé : empêcher quoi que ce soit de coller à la poêle !

La soudure froide

Une soudure classique, chaude, fait fondre deux pièces de matière, généralement en métal, pour que leur phase liquide unisse les deux pièces et qu’elles ne fassent plus qu’une en refroidissant.

Pour la soudure froide, il n’y a pas de chauffe et aucune fonte. Il s’agit de mettre deux objets en contact et elles finissent par se solidariser avec le temps. Cela peut arriver par exemple deux glaçons : quand on place un glaçon sur un autre, ils gèlent ensemble, même en l’absence d’eau liquide.
Dans ce cas, les structures cristallines des deux glaçons fusionnent et des liaisons cristallines se forment entre les deux glaçons, à cause de leur proximité.

Plus étonnant, la fusion froide peut avoir lieu avec des métaux, comme l’aluminium. Quand on met en contact deux pièces en aluminium fraîchement décapées, elles vont se souder entre elles. On voit parfois ceci sur les selles de vélo qui sont comme collées à leur tube de maintien. Il est alors très difficile de les désolidariser, et pour cause : la tige de selle et son tube de maintien ont commencé à se souder ensembles !

Conclusion

Vous ne touchez que rarement les objets qui vous entourent : vous lez repoussez à distance avec votre champ de force électrique, comme on repousse un aimant avec un autre aimant. Le contact entre deux objets, c’est exactement ça.

Mieux, on peut exercer des pressions immenses sur deux objets pour les « coller » le plus possible. La seule chose qui se passera c’est l’espace entre les deux nuages électroniques qui se réduit. L’espace entre le nuage électronique et les noyaux ne changera pas : ce sont des comportements quantiques qui maintiennent les électrons sur leur orbitale.

Ces comportements d’origine quantique ne sont pas invincibles cependant. Quand on appuie suffisamment, l’énergie employée à exercer cette pression se transmet aux électrons qui quittent leur orbitale : la matière s’échauffe et s’ionise. On obtient alors un plasma où les noyaux atomiques baignent dans une soupe d’électrons libres. C’est ce qui se passe dans le cœur des étoiles, où la pression est suffisante pour ça.

Si on augmente encore la pression, les électrons et les protons sont forcés à fusionner pour former des neutrons. On obtient alors des étoiles à neutrons. L’ensemble de l’étoile est alors un noyau atomique unique et ultra-dense : il n’y a plus le 99,99 % d’espace vide entre les particules, qui est alors comblé par de la matière.

Encore au-delà, si l’étoile à neutron est plus massif, les neutrons eux-mêmes ne peuvent plus soutenir cette pression immense : ce sont les quarks (les constituants des protons et des neutrons) qui se libèrent. L’étoile obtenue est appelée « étoile étrange ».

Enfin, une étoile étrange a également ses limites : trop massive, les quarks eux-mêmes ne résistent plus et fusionnent tous ensemble en un point unique. C’est une singularité à la densité infinie et à l’accélération de la pesanteur si forte que même la lumière n’est pas assez rapide pour s’en libérer : c’est un trou noir. Toute matière qui s’en approche trop est alors indéfiniment perdue et piégée…

image d’en-tête de Victor Orlov

Qu’est-ce qu’un métal ?

jeudi 11 juin 2020 à 21:06

Des cristaux de gallium, un métal.
Il vient d’être observé (en février 2020) de l’hydrogène métallique. Je viens également de publier un article avec une liste de quelques métaux aux propriétés étonnantes.
À cette occasion, un lecteur me pose la question suivante : Qu’est-ce qu’un métal ?

C’est le genre de questions qui semble triviale mais à laquelle on a du mal à répondre au premier abord : si on nous donne une série de matériaux, on saura tout de suite dire lesquels sont des métaux et lesquels n’en sont pas.

Mais comment définit-on un métal de façon concrète ? Comment pourrait-on expliquer à quelqu’un qui n’aurait jamais vu de matériaux de sa vie comment différentier un métal d’un non-métal ?

Parmi les propriétés partagées des métaux, on peut citer la conduction électrique, la conduction thermique, le fait de briller ou encore d’être opaque, malléables, ductiles…
Ceci dit, on peut trouver des contres-exemples à chaque fois :

Il faut donc être plus spécifique, et pour ça, il faut plonger plus profondément dans la matière.

Des liaisons métalliques dans un métal

On apprend à l’école que l’électricité est conduite par les électrons libres des matériaux conducteurs. Les isolants n’ont pas d’électrons libres et ne peuvent donc pas conduire l’électricité.

Ceci est à la base des phénomènes de conduction électrique, mais aussi de conduction thermique, d’opacité ou de brillance des métaux. Ces propriétés ne sont pas exactement exclusives aux métaux : le graphite ou le graphène sont conducteurs et ont des électrons libres, mais ce ne sont pas des métaux (en l’occurrence, on parle plutôt de semi-métaux pour ces deux-là).

La présence d’électrons libres est fondamentale.

Normalement, les électrons appartiennent à un atome en particulier auquel ils sont liés. Dans un métal, certains électrons ne sont pas liés à un atome et bien qu’ils pourraient, ils ne participent pas à une liaison chimique à proprement parler : ils sont libres et peuvent se déplacer d’atome en atome dans tout l’échantillon de métal.

Dans le cas du cuivre, par exemple, chaque atome de cuivre « libère » un électron dans l’échantillon métallique. Chaque atome de cuivre est donc ionisé positivement : tous devraient se repousser, mais l’ensemble baigne dans un océan d’électrons libres, ce qui les maintient tous ensemble. Ces liaisons électroniques particulières n’appartiennent pas réellement à deux atomes mais plutôt à l’ensemble du cristal : ce sont des liaisons métalliques.

Ce qui fait d’un métal « un métal », c’est précisément ces liaisons métalliques, cet océan d’électrons libres.

Pour imager cela, on peut prendre une foule de gens. Dans un cristal non métallique, les gens se tiennent tous par la main. Si l’on présente un ballon à la foule, personne ne peut le prendre car tout le monde a ses mains occupées pour se tenir les uns les autres.

Dans un métal, les gens ne se tiennent pas la main et ils sont libres de partir, mais on peut imaginer un ensemble de policiers qui passent entre les gens pour les maintenir rapprochés et les rappeler de rester en place. Les policiers se baladent entre les gens : ce sont les électrons libres. Si l’on présente un ballon à la foule, leurs mains étant libres, les gens peuvent le transmettre à leur voisin et le ballon peut aller de l’autre côté de la foule. Le ballon constitue le courant électrique.

C’est ce second cas qui présente le mieux l’état d’un métal : un ensemble d’atomes maintenus en place et serrés les uns contre les autres par un ensemble d’électrons qui se baladent où ils veulent dans le cristal.

En les maintenant collés entre eux, cette mer d’électrons pousse les atomes à adopter une structure la plus compacte possible, ce qui se traduit généralement par une structure cristalline, bien ordonnée.

Implication pour les propriétés des métaux

Les métaux sont un empilement cristallin compacte d’atomes ionisés positivement dans une mer d’électrons libres.

Ces électrons libres se déplacent et sont responsable de la conduction électrique des métaux : il suffit d’une faible tension électrique pour que les électrons se déplacent. La résistance électrique est donc très faible dans un métal.

Ceci distingue les métaux des semi-conducteurs, qui sont à la base des isolants, mais dont la conductivité n’est possible que lorsque l’on excite les électrons à l’aide d’un apport extérieur d’énergie (chaleur, tension électrique, lumière…).
Seulement là un semi-conducteur devient-il conducteur. L’apport d’énergie permet alors de briser une liaison atomique et de pousser l’électron à former une liaison métallique et à se promener dans le cristal.

Dans un isolant, les électrons sont trop liés à leur atome et ne se détacheront pas de leur atome. Le courant électrique ne passera pas.

Cette même propriété des électrons libres est responsable de leur conduction thermique : la chaleur n’est autre que de l’énergie sous forme de vibration des électrons et des atomes. Si les électrons sont libres de se déplacer, ils transmettent cette vibration, d’un bout à l’autre du métal très rapidement.

Les électrons d’un métal formant une mer lisse entre les atomes permet également d’expliquer la brillance des métaux contrairement à d’autres matériaux. Les électrons renvoient le rayonnement de là où ils viennent en agissant localement sur le champ électromagnétique. Dans le cas des métaux, les rayons sont intégralement renvoyés et non transmis ni diffusés, d’où leur brillance miroir.

Enfin, vu que les électrons maintiennent les atomes ensembles et qu’ils sont mobiles, un métal est généralement très ductile : si l’on brise la structure cristalline dans une tige métallique, les électrons peuvent combler les vides et permettre à l’ensemble de rester soudé. Ceci est le contraire du verre, par exemple, où, une fois la liaison brisée, elle ne se reconstitue pas.
Deux pièces métalliques mises en contact peuvent même se souder entre elles sans nécessiter d’être fondues ou même chauffées : on parle alors de soudure froide.

Pour résumer

Pour conclure cet article, un métal se différencie macroscopiquement de la plupart des autres matériaux par ses propriétés conductrices ou mécaniques (ductilité…). Cependant, certains non-métaux partagent également ces propriétés, qui ne sont donc pas exactement spécifiques aux métaux.

Pour définir ce qu’est un métal, il faut alors passer par une description microscopique.

Sous cet aspect, le métal se distingue par un ensemble d’atomes compactés ensembles et baignant dans une mer d’électrons : ce sont les fameux électrons libres.

Ces électrons appartiennent au cristal entier et non plus à un atome en particulier. Ils assurent, par le fait de leur charge attractive sur les atomes, le maintien en place de toute la structure cristalline. Ils assurent également la conduction thermique, électrique, la ductilité et la forte réflectivité optique du métal.

(Merci à Pataboul qui m’a posé cette question et suggéré l’idée de cet article !)

image d’en-tête de foobar

Qu'est-ce que le symbole Estimé « ℮ » ?

jeudi 4 juin 2020 à 07:18

Le symbole estimé.
C'est un symbole que l'on retrouve sur la plupart des emballages de produits, alimentaires ou non : bouteilles de boisson, conserves, pots de sauce ou de yaourts, paquets de chips : le symbole « ℮ », appelé "symbole estimé".

Il est apposé après l'indication de la quantité de produit contenu dans l'emballage. Par exemple, une bouteille d'eau indiquera « 1,5 L ℮ », au lieu de simplement mettre « 1,5 L » :

Quelques exemples du symbole sur des emballages.
La raison d'être de ce symbole n'est pas seulement légal (directive européenne 76/211/EEC), il a surtout une origine technique.

De la quantité de produit dans un emballage

Quand un emballage (bouteille, boîte de conserve, sachet...) est rempli d'un produit (boisson, légumes, chips...), une certaine quantité de produit doit être mis dans l'emballage. Si le pot de confiture indique 1 kg, alors il doit contenir effectivement 1 kg de confiture.

Il y a cependant une tolérance acceptable : ainsi, notre pot de 1 kg dispose d'une tolérance négative de 1,5 % sur la quantité de produit. Le pot doit donc contenir au minimum 985 grammes de confiture. De plus, sur un lot de pots de confiture, la moyenne de masse de confiture ne doit pas être en dessous de 1 000 grammes.
Ceci signifie que si, dans un lot, un pot contient moins de confiture alors un autre pot en contiendra un peu plus. C’est le cas dans les contrôles statistiques, où l’on contrôle par échantillon seulement.

Cette tolérance est là d'un besoin technique : dans l'industrie, les pots sont remplis hors de la vue du consommateur et à la chaîne par une machine dont les réglages ne sont pas infiniment précis.
La quantité peut aussi dépendre du produit : il ne sera pas vendu un sachet de 7,5 pommes pour atteindre exactement la quantité de 1,5 kilogrammes de l'étiquette. Normalement, il sera alors fait un sachet de 8 pommes entières (légalement l'erreur doit être favorable au consommateur) ou le prix ajusté exactement au poids acheté.

Bien-sûr, l'industriel qui veut vendre son produit avec ce logo doit pouvoir prouver aux autorités compétentes (DGCCRF, par exemple, en France) que des mesures régulières sont effectuées pour justifier de la conformité des quantités présentes dans les emballages qui sortent de l’usine pour être mises en rayon.

Ainsi, d’après la réglementation, tous les emballages présentant moins de deux fois la tolérance (donc −30 grammes au lieu des −15 grammes sur notre pot de confiture de 1 kg) ne peut être vendu avec ce logo. De plus, si certains pots manquent effectivement jusqu’à 30 grammes de produit, d’autres pots doivent les compenser, en moyenne.

Tolérances pour les produits

Les tolérances sur la quantité d'un produit dépend de la quantité totale de produit. Ainsi, une bouteille de 2 L n'aura pas la même marge qu'une cannette de 33 cL.
D'ailleurs, toutes les tolérances ne sont pas non plus calculées de la même façon : selon le poids/volume de produit, la tolérance peut-être absolue (15 grammes, par exemple) ou relative (1,5 % du poids nominal). L'ensemble est répertoriés ci-après :

Tolérances négatives acceptées
Quantité nominale (g ou mL)Tolérance
5–509 %
50–1004,5 g ou mL
100–2004,5 %
200–3009 g ou mL
300–5003 %
500–100015 g ou mL
1000–100001,5 %

On peut constater que plus la quantité de produit augmente, plus la tolérance relative diminue, passant de 9 % pour les tout petits volumes à seulement 1,5 % pour les volumes d'un litre ou plus.
En revanche, il faut voir que la tolérance absolue, elle, augmente : 9 % de 50 mL correspond à 4,5 mL, alors que 1,5 % de 10 000 correspond à 150 mL !

Dans tous les cas, ces valeurs ne concernent que les tolérances négatives : il n'y a pas de limites sur ce que l'industriel peut mettre en plus dans ses emballages. Si votre emballage d'une quantité nominale de 500 grammes contient 642 grammes, tant mieux pour vous.

Enfin, d'autres produits possèdent également des indications relatives à des quantités moyennes dans les emballages.
Les boîtes de chaussures, par exemple, peuvent ainsi porter la mention amusante « contient en moyenne 2 chaussures ». Ceci est pour éviter les procédures légales d'un client qui se retrouverait avec une seule chaussure dans sa boîte (alors qu'un simple retour en magasin suffirait à compléter la paire, l'absence d'une chaussure dans une paire étant manifestement une erreur d'emballage d'origine technique ou humaine).

Références

Comment fonctionne une horloge Nixie ?

mercredi 27 mai 2020 à 04:56

Mon horloge Nixie.
Bien avant les afficheurs LCD ou Led existaient les afficheurs 7 segments, qui permettaient d’afficher les chiffres avec 7 traits seulement. Et bien avant ça, existaient des lampes avec 10 filaments différents dont un seul était alimenté à un moment donné : ces lampes portent le nom de « tube Nixie ».

La lumière produite par ces lampes est très caractéristique et rappelle à juste titre les tubes néon des devantures de magasins des années 60. Le truc étonnant c’est que si les vieilles ampoules à filament chauffaient fortement, les néons et les tubes Nixie restent froids.
Dans cet article, on va voir la technologie derrière ces lampes.

Un type de lampe à décharge

L’horloge Nixie utilise des lampes à décharge comme afficheur.
Dans les lampes à décharge, une cathode plongée dans un gaz est soumis à une haute tension (15 000 V). La cathode va alors éjecter des électrons vers l’anode. Ces électrons, en traversant le tube, vont frapper les atomes du gaz et les exciter. C’est ensuite en se stabilisant que les atomes vont produire de la lumière. La couleur de la lumière dépend de l’atome et donc du gaz utilisé :

Principe d’un tube fluorescent.
Le filament sous haute tension éjecte des électrons, qui vont exciter les atomes du gaz. Ces derniers se stabilisent en émettant de la lumière (rouge si le gaz est du néon).

Contrairement à une lampe à filament, où c’est la lumière provient de l’échauffement d’un filament consécutif au passage du courant, les lampes à décharges ne chauffent pas. La lumière est dite « froide ».

Les ampoules Nixie ne sont pas faites pour éclairer une pièce, juste à produire une lumière visible pour afficher l’heure. Il n’y a donc pas de transformateur 15 kV dedans. Cependant, les tensions appliquées sont de l’ordre de 170 V, obtenus par un petit circuit à partir de l’alimentation 12 V branché dans le socle.

Les filaments restent plongés dans une ampoule remplie de néon, un gaz. Sous l’effet d’une tension de 170 V, seul le néon directement en contact avec le filament est ionisé et luit d’une couleur orange. Le chiffre est donc clairement visible, alors que si l’on appliquait 15 000 V, tout le néon de l’ampoule sera lumineux et on ne distinguerait plus le chiffre.

La technologie Nixie est désuète : les lampes sont grosses, fragiles, nécessitent autant de filaments que de chiffres et ont besoin des hautes tensions. Ils ont aussi une durée de vie limitée car la cathode se met à noircir après quelques dizaines de milliers d’heures de fonctionnement, chose qui n’apparaît pas sur les LED basses tensions.

De l’ampoule à l’horloge

Dans une même ampoule Nixie, il existe 10 cathodes différentes : une pour chaque chiffre. L’ordre des filaments est d’ailleurs pensé pour que les filaments de devant cachent le moins possible ceux de derrière. Les chiffres plus difficiles à lire donc devant et le plus simple, le 1, est tout au fond, car il est reconnaissable même s’il est partiellement caché. L’ordre des chiffres sur les tubes soviétiques est généralement 1-6-2-7-5-0-4-9-8-3, avec le 1 au fond et le 3 tout devant.
À noter que bien-souvent que si le 6 et le 9 sont identiques, il en va de même pour le 2 et le 5 : cela réduit à 8 le nombre de filaments différents pour 10 chiffres et permettait de réduire les coûts de fabrication.

De nos jours, c’est un circuit électronique moderne qui contrôle la cathode à alimenter et donc quel chiffre devient lumineux.
Sur l’horloge Nixie, on dispose de 6 tubes Nixie pour afficher l’heure en entier. Certaines horloges à 4 chiffres existent aussi et s’affranchissent alors de l’affichage des secondes à des fins d’économie.

À l’origine, les afficheurs à Nixie servaient à afficher ce qu’on voulait : la date ou l’heure bien-sûr, mais aussi la fréquence sur un poste radio, la tension mesurée sur un voltmètre, la température, le résultat sur une calculatrice… bref c’était un afficheur comme un autre.

Aujourd’hui, ils reviennent à la mode pour leur design rétro principalement dans les horloges au design varié : du plastique futuriste, au bois/cuir classique en passant par le design steampunk.
Certains modèles ajoutent des LED RGB sous l’ampoule pour accentuer les couleurs. Pour ma part, j’aime beaucoup la lumière bleu foncé, comme vous pouvez le voir dans l’image d’en-tête : je trouve ça donne une image de flamme au gaz, en plus de la couleur chaude des filaments.

Fabriquer ce genre de tubes est relativement difficile, et ça explique le prix élevé de ces horloges.

Beaucoup d’ampoules proviennent de l’époque soviétique, car l’URSS les a fabriqués en masse jusque dans les années 80, alors que le reste du monde utilisait alors les afficheurs 7 segments. Une bonne partie des boutiques qui fabriquent ces objets sont d’ailleurs situées en Russie ou en Ukraine.

Enfin, rien n’oblige à avoir des filaments en forme de chiffres : il en existe avec des lettres ou d’autres symboles plus ou moins exotiques servant simplement à amuser la galerie.

À propos du nom « Nixie »

Le nom Nixie dériverait du nom initial de cette ampoule : « Numeric Indicator eXperimental No. 1 », ou « indicateur numérique expérimental n° 1 », où le « 1 » final est lu comme un I.

Lien

Mon horloge Nixie provient de chez Nixie Shop, une boutique ukrainienne. Rien à redire sur la qualité et le prix est parmi le plus bas de ce que j’ai pu trouver.
Il en existe plein d’autres, au design aussi varié que vous voudrez, comme mentionné plus haut.

Image d’en-tête : travail personnel.

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