Dispositif expérimental

Lors de ce projet nous avons étudié le mouvement de gouttes de Leidenfrost paramagnétiques. Pour cela nous avons utilisé des gouttes d'oxygène liquide. En effet pour que l'effet Leidenfrost puisse avoir lieu, il est nécessaire d'avoir plus de 200ºC d'écart entre la température d'ébullition du liquide et la température du substrat. Nous aurons aussi besoin que le liquide soit paramagnétique pour observer une interaction avec des aimants. Par ailleurs, il sera plus pratique de laisser le substrat à température ambiante, il nous faut donc un liquide paramagnetique dont la température d'ébullition est très basse. L'oxygène liquide possède ces critères. En effet c'est un liquide naturellement paramagnétique. De plus sa température d'ébullition est de -182ºC. C'est pourquoi nous avons choisi de l'utiliser pour le reste de nos expériences, et sera facilement synthetisibale.

Nous avons produit de l'oxygène liquide à l'aide d'un réservoir cônique en cuivre, qui est un bon conducteur thermique, dans lequel nous avons verser de l'azote liquide dont la température d'ébullition est inférieure à la température de condensation de l'oxygène. Il va refroidir les parois du cône, sur lesquelles le dioxygène présent dans l'air ambiant va se condenser. La pointe du cône servira alors de "compte-goutte". De plus, étant paramagnétique, lorsque la goutte va ressentir le champ magnétique de l'aimant celle-ci va s'aimanter.

Nous avons trois types de montages :

-le premier où par le biais de notre cône nous faisons arriver une goutte d'oxygène liquide sur une rampe inclinée ce qui va lui donner une certaine vitesse. L'aimant est placé sous la plaque. La goutte de Leidenfrost va rentrer en oscillation autour d'une position d'équilibre. (Voir Piégeage)

-le deuxième où l'on dépose la goutte depuis le cône sur la plaque, sans vitesse initiale. Nous rapprochons ensuite un aimant au-dessus d'elle. Nous chercherons la distance pour laquelle la gravité ne prime plus sur le champ magnétique ce qui permettra à la goutte de décoller. (Voir Décollage)

-le troisième où la goutte arrive de nouveau par la rampe et l'aimant est placé au-dessus de la plaque à une distance permettant à la goutte de sauter. (Voir Saut)

a) Camera Photron; b) Lampe halogène; c) Lame semi réfléchissante; d) Rampe + Guide de la goutte; e) Aimant; f) Cône en cuivre

Montage vu de côté

Visualisation du mouvement de la goutte

Afin de visualiser le mouvement de la goutte nous avons utilisé une caméra rapide capable d'enregistrer plus de 32 000 images/secondes reliée au logiciel Fastcam qui permet de gérer la caméra. Grâce à ce logiciel nous pouvons choisir la vitesse d'enregistrement ainsi que le nombre d'images enregistrés. Nos films sont principalement filmés à 250 ips et ont pour longueur maximale 2048 images.

Pour notre projet nous avons utilisé le logiciel de traitement d'image ImageJ. Ce logiciel nous permet de monter nos films pour en sélectionner des parties, de mesurer les déplacements de la goutte ou la distance entre l'aimant et la goutte, ainsi que de tracer automatiquement un diagramme spatio-temporelle dans lequel on voit l'évolution de la goutte au cours du temps. (Voir Décollage).

Caractérisation du champ magnétique de l'aimant

Nous avons à notre disposition des aimants en néodyme, qui sont les aimants permanants les plus forts disponibles, cylindriques de hauteurs et diamètres différents.

Nous savons que l'énergie potentielle magnétique de la goutte, de par l'action de l'aimant est :

Avec B(z) le champ magnétique le long de l'axe de l'aimant. Il est donné par la formule suivante :

Cette formule a été obtenue en faisant une analogie entre un calcul simple d'électrostatique et notre problème de magnétostatique (Voir notre rapport pour plus de détails).