Effet Christiansen - Olympiades de Physique France

€
L’E
Fossaert François
Lekieffre Henry
Heyman Pierrick
Valencour Emile
Valencour Louis
L’E
ffet Christiansen
Partenaires
Mr Dettwiller Luc, du lycée Blaise
Pascal de Clermont
Laboratoire Verbièse, Merville
ffet Christiansen
Partenaires
Mr Dettwiller Luc, du lycée Blaise
-
Pascal de Clermont
-Ferrand
Laboratoire Verbièse, Merville

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Introduction
Nous sommes 5 élèves de terminale S du lycée Saint Jacques à Hazebrouck. 2015 étant
l’année de la lumière, nous nous sommes intéressés à l’effet Christiansen dans le cadre des
Olympiades de Physique 2015-2016.
Cet effet est peu connu. En présence de lumière, un filtre Christiansen présente des phénomènes de
diffusions et de réfractions. Tout au long de notre étude nous avons donc cherché à mieux
appréhender ce concept.
Cela n’a pas été chose facile. Les moyens dont dispose un Laboratoire de Physique de Lycée s’avèrent
parfois limités et il a fallu ruser d’ingéniosité pour mettre en évidence le phénomène d’une part puis
pour l’étudier.
Nous commencerons par définir et présenter l’effet Christiansen. Ensuite, nous essaierons de fournir
quelques hypothèses théoriques concernant cet effet particulier. Nous présenterons également les
mesures réalisées et nous terminerons par des applications actuelles et possibles utilisant un filtre
Christiansen.
Dans le cadre de nos recherches, nous avons contacté un des précurseurs de la recherche sur
l’effet Christiansen : Mr Luc Dettwiller, du lycée Blaise Pascal de Clermont-Ferrand. Son aide nous a
été précieuse : il a créé, avec un ami, le logiciel Spectrum dans lequel il présente la simulation de
l’effet Christiansen. Il nous a envoyé le logiciel ainsi qu’une partie des recherches qu’il a déjà pu
réaliser à propos de l’effet Christiansen et a bien sûr répondu à nos questions.
Nous lui avons par la suite proposé d’être notre partenaire dans nos recherches, ce qu’il a
accepté. Nous avons communiqué principalement par mail, et son aide lorsque nous étions bloqués
fut très utile. En outre, nous sommes toujours en relation avec Mr Dettwiller. Nous le remercions
chaleureusement pour ses conseils avisés. Il reste toujours enjoué lorsque nous lui envoyons nos
résultats.
Dans la même optique, nous avons travaillé en étroite collaboration avec le laboratoire
Verbièse de Merville. Ils nous ont fourni les réactifs nécessaires à la réalisation des expériences. De
plus, nous nous sommes aussi rendus dans leurs laboratoires afin d’utiliser leur réfractomètre, que le
lycée ne possédait pas. Nous le détaillerons plus tard.
L’effet Christiansen provient du physicien Danois Christian Christiansen, né le 9 Octobre 1843
à Londorg au Danemark et mort en 1917. Il étudie à l’université de Copenhague en physique dès
1886. Ce physicien a porté plusieurs études notamment sur la dispersion optique, ce qui lui a permis
de découvrir l’effet Christiansen. Enfin en 1902, il est intégré comme membre à la Royal Swedish
Academy of Sciences.

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Sommaire
Introduction ............................................................................................................................................. 1
Sommaire ................................................................................................................................................ 2
Découverte de l’effet Christiansen .......................................................................................................... 3
I. Mise en évidence de l’effet Christiansen ........................................................................................ 3
II. Mesures effectuées ......................................................................................................................... 9
III. Eléments de théorie .................................................................................................................. 12
IV. Expérience à Température Constante ....................................................................................... 14
V. Utilisation des indices de réfraction pour déterminer une longueur d’onde de transmission en effet
Christiansen. .......................................................................................................................................... 16
VI Effet Christiansen et Diffusion Rayleigh ............................................................................................ 19
Conclusion ............................................................................................................................................. 19

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Découverte de l’effet Christiansen
L’effet Christiansen est un effet surprenant : il permet d’agir comme un filtre chromatique à
partir d’une source de lumière blanche.
De manière générale, on utilise un mélange de liquides auquel on ajoute un solide
transparent (poudre fine d’un solide transparent, verre broyé..). On obtient alors un ensemble
hétérogène agissant comme un filtre coloré.
Les indices de réfraction du mélange et des cristaux dépendant de la longueur d’onde, l’effet
se produit quand la courbe des indices de réfraction du mélange et celle des cristaux se coupent en
un point. A ce moment là, le mélange devient transparent pour une longueur d’onde précise. C’est
l’effet Christiansen.
Ainsi, on peut théoriquement sélectionner une longueur d’onde en sortie.
I. Mise en évidence de l’effet Christiansen
Différents montages et expériences.
Afin de mieux rendre compte de l’effet Christiansen, nous avons réalisé différents montages que
nous avons toujours cherché à améliorer. Nous avons repris les travaux de M. Dettwiller à ce sujet.
Dans un premier temps, nous avons commencé par utiliser un projecteur de diapositives comme
source de lumière. Le mélange initial est composé d’éthanol et de toluène de 15,0 mL chacun (ce qui
correspond à un pourcentage massique de 0,52 en toluène), introduits dans une cuve en verre aux
faces parallèles, de dimensions 80*30*40 mm (seule cuve en verre disponible au laboratoire) et 2,0 g
de Fluorure de Calcium (CaF
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) en poudre.
L’utilisation de l’éthanol pur étant réglementée, nous nous sommes rabattus sur de l’éthanol
dénaturé à 95% en volume.
L’utilisation du toluène nous oblige également à travailler sous hotte ventilée.
Après utilisation, les produits sont récupérés pour éviter leur rejet à l’évier.

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Voici le montage que nous avons réalisé :
Figure 1: Premier Montage utilisé
Figure 2 : Schéma Montage utilisé
Nous avons placé comme source primaire de lumière, un projecteur de diapositives, dont nous
disposions au Laboratoire. Nous avons réglé l’objectif du projecteur pour avoir une image la plus
nette et lumineuse possible de l’objectif sur l’écran (paroi de la hotte). Nous avons positionné
ensuite une lentille convergente à environ 10 cm du projecteur. Ce dernier est alors au foyer objet
de la lentille et nous avons réglé la distance entre le projecteur et la lentille jusqu’à pouvoir obtenir
un faisceau de lumière relativement parallèle. A 20 cm de cette lentille, nous repositionnons une
grosse lentille convergente pour faire converger les rayons vers notre cuve, située elle dans le plan
focal image de la grosse lentille. La lumière est ainsi concentrée vers la cuve pour la traverser. Un
agitateur magnétique permet de maintenir en suspension la poudre de calcite dans le mélange.
Projecteur
Lentille1
Lentille2
Cuve
Ecran
Tube
Projecteur
L1
L2
Cuve
Ecran