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RÉSUMÉ
L’émissivité thermique d’un matériau est un facteur qui intervient dans toutes les mesures de température par pyrométrie et par rayonnement. Il dépend de la nature du matériau lui-même, de l’angle d’émission et de la polarisation du rayonnement émis, mais aussi de l’état de surface. Cet article étudie l’interprétation physique de ce phénomène, ces méthodes de mesure et donne des exemples de résultats expérimentaux sur les matériaux lisses.
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Philippe HERVÉ : Docteur ès Sciences - Professeur à l’Université Paris X - Directeur du Laboratoire d’énergétique et d’économie d’énergie
INTRODUCTION
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé émissivité.
Les échanges thermiques par rayonnement, les mesures de température par pyrométrie nécessitent donc la connaissance de ce facteur, qui dépend lui‐même de la nature du matériau, de l’angle d’émission, de la polarisation du rayonnement émis et enfin de l’état de surface. L’influence de ces différents paramètres sera examinée dans le présent article, qui complète l’article Température de surface : mesure radiative « Température de surface. Mesure radiative ».
Pour avoir une connaissance plus complète des phénomènes physiques de base, on pourra se référer aux ouvrages généraux [1] [2] [4] [5] cités dans la fiche Mesure de l’émissivité thermique[Doc. R 2 737].
Dans le recueil de données de Y.S. Touloukian et D.P. De Witt [3], on trouvera l’émissivité (facteur d’émission) de nombreux matériaux conducteurs et diélectriques, les mesures ayant été réalisées par de nombreux expérimentateurs. La divergence des résultats obtenus sur un même matériau surprend au premier abord. En fait, cette multiplicité des résultats est due à la composition chimique des échantillons et à la variété infinie des états de surface. Il sera donc nécessaire de ne pas se contenter de valeurs bibliographiques et d’effectuer des mesures sur un échantillon du matériau, en étudiant en même temps sa composition chimique et son état de surface. Nous examinerons plusieurs méthodes de mesure, directes ou indirectes, de l’émissivité.
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Influence de l’état de surface sur l’émissivité4. Exemples de résultats expérimentaux sur les matériaux lisses
Ce paragraphe présente trois cas typiques caractéristiques des matériaux usuels.
4.1 Métaux
La variation de εn = f (λ ) est relativement monotone pour tous les métaux non oxydés. La figure 18 représente la variation de εn en fonction de la température pour le tungstène, corps souvent utilisé comme étalon en radiométrie [12].
Le passage d’un acier écroui à un acier desécroui est illustré par la figure 19.
HAUT DE PAGE4.2 Diélectriques
La variation de εn en fonction de λ est due aux électrons liés [formule [2]]. La présence d’impuretés peut modifier considérablement les propriétés émissives (figure 20). De nombreux oxydes, comme l’alumine, ont des propriétés optiques très différentes dans le domaine visible (ils sont blancs et réfléchissants) et dans le domaine infrarouge (ils sont « noirs » et absorbants). Les oxydes de fer et de nickel sont par contre « gris » sur une grande partie du spectre (c’est‐à‐dire que leurs propriétés ne varient pas, sur une grande partie du spectre, en fonction de λ ).
On trouvera sur la figure 21, les courbes d’émissivité de deux diélectriques à usage industriel.
HAUT DE PAGE4.3 Couches minces. Surfaces sélectives
Les couches minces déposées...
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