Réfraction

Lorsque l'on place une paille dans un verre d'eau, la paille paraît courbée. Or, si on place une paille dans un verre d'eau contenant du sucre dissous, la paille semble encore plus courbée (voir l'illustration). Il s'agit du phénomène connu sous le nom de : " loi de la réfraction lumineuse ". Les réfractomètres sont des instruments de mesure mettant en pratique ce phénomène de réfraction lumineuse. Ils se basent sur le principe qu'à mesure que la densité d'une substance augmente (p. ex. lorsque le sucre est dissous dans l'eau), son indice de réfraction (le degré de la courbure qui semble apparaître) croît proportionnellement. Le réfractomètre fut inventé par le Dr Ernst Abbe, un scientifique allemand/autrichien du début du 20e siècle.

Principe du réfractomètre

Il existe deux systèmes de mesure permettant de constater l'indice de réfraction : le système de mesure par transparence et le système de mesure par réflexion. Les réfractomètres portables et le réfractomètre d'Abbe appliquent le système de mesure par transparence, alors que les réfractomètres numériques appliquent le système de mesure par réflexion.

Système de mesure par transparence

Le système de mesure pour les réfractomètres portables (mesure par transparence) est résumé ci-dessous :

Les systèmes de réfraction

Le système de détection des réfractomètres numériques (système de réflexion) va être abordé ci-dessous. Dans la figure ci-dessous, la lumière A incidente depuis le côté gauche en bas du prisme n'est pas réfléchie par la limite et s'échappe à travers l'échantillon. La lumière B est réfléchie par la face droite directement à travers la limite du prisme. La lumière C qui a un angle incident trop important pour pouvoir traverser le côté de l'échantillon est entièrement réfléchie à travers le côté droit en bas du prisme.

En conséquence, une ligne limite est produite divisant les parties claires et les parties sombres de chaque côté de la ligne en pointillés "B'" sur la figure. Comme l'angle de réflexion de cette ligne limite est proportionnel à l'indice de réfraction, la position de la ligne limite entre les parties claires et sombres est détectée par un capteur et convertie en indice de réfraction.

A propos de l'échelle de Brix (%)

Le Brix (%) exprime le pourcentage de la concentration des solides solubles contenus dans un échantillon (une solution d'eau). Le contenu des solides solubles représente le total de tous les solides dissous dans l'eau, incluant le sucre, les sels, protéines, acides, etc. et la mesure lue est leur somme totale. Fondamentalement, le Brix (%) est calibré en fonction du nombre de grammes de sucre de canne contenus dans une solution de sucre de canne de 100 grammes. Donc, lors de la mesure d'une solution de sucre, le Brix (%) devrait parfaitement correspondre à la concentration réelle. Dans le cas de solutions contenant d'autres composants, en particulier lorsqu'il s'agit de connaître la concentration exacte, une table de conversion est nécessaire.

>Applications des réfractomètres

FRUITS

Lorsqu'il s'agit de mesurer la concentration de fruits, les réfractomètres offrent les avantages suivants :

INDUSTRIE ALIMENTAIRE

La mesure de la concentration de sucre ou du contenu des solides solubles (%) de nombreux aliments offre les avantages suivants :

AUTRES CHAMPS INDUSTRIELS ET DE RECHERCHE

La lumière décrit des ondulations lorsqu'elle voyage. Comme c'est visible dans la figure 1, la lumière semble décrire des ondulations de façon unidirectionnelle alors que ces ondulations ont en fait lieu dans toutes les directions comme le montre la figure 2.

Lorsque la lumière qui ondule dans toutes les directions traverse une grille lors de son voyage, seules les ondes de lumière qui oscillent dans une direction parallèle aux barreaux de la grille peuvent la traverser et la lumière qui oscille dans d'autres directions est bloquée par les barreaux de la grille. (Figure 3)
Une telle lumière qui ondule dans une direction déterminée est appelée lumière polarisée et la grille est appelée plaque polarisante.

Lorsque la lumière polarisée voyage à travers un tube d'observation rempli d'une solution qui n'imprime pas de rotation à la lumière (de l'eau par exemple), la lumière poursuit ses ondulations dans la même direction même après son passage à travers la solution. (Figure 4)

Au contraire, lorsqu'elle voyage à travers un tube d'observation rempli d'une solution imprimant une rotation à la lumière (une solution de saccharose par exemple), l'onde de lumière commence à effectuer une rotation lorsqu'elle passe à travers la solution. (Figure 5) C'est ce que l'on appelle la rotation optique.

*Ces échantillons qui impriment une rotation à la lumière ont une formule moléculaire qui contient du carbone asymétrique (désigné par la lettre «C»). Le sucre en est un des exemples communs. L'explication du carbone asymétrique serait extrêmement technique. Nous aurons sans doute l'occasion de l'aborder une prochaine fois.

*Représentez-vous la création d'un chemin optique réalisé en plaçant une plaque de polarisation, un tube d'observation, une autre plaque de polarisation et un capteur, tous les uns derrière les autres. (Figures 6 et 7).

*Le chemin de la figure 6 comporte un tube d'observation rempli d'eau alors que dans la figure 7, c'est une solution échantillon, telle qu'une solution de saccharose qui imprime une rotation à la lumière.

*Dans la figure 6, une certaine quantité de lumière atteint le capteur.

*Dans la figure 7, la lumière n'atteint pas le capteur. (Techniquement parlant, en terme de vecteur, une imperceptible quantité de lumière atteint le capteur mais nous présumerons ici que la lumière n'atteint pas le capteur.)

*Lorsque la seconde plaque polarisante est tournée comme le montre la figure 8, la même quantité de lumière que dans la figure 6 atteint maintenant le capteur.

< Le réglage conduction zéro sur un polarimètre >

Le réglage de conduction zéro a lieu comme le montre la figure 6. Dans la procédure d'ajustement actuelle, le tube d'observation rempli d'eau n'est pas nécessaire et le réglage de conduction zéro est effectué en laissant la lumière voyager à travers l'air.

*Placez alors un tube d'observation rempli d'une solution échantillon qui imprime une rotation à la lumière comme le montre la figure 8.

*Tournez la deuxième plaque de polarisation afin qu'une quantité de lumière égale atteigne le capteur comme au moment où le réglage de conduction zéro a été effectué.

*L'angle de la plaque de polarisation tournée est l'angle de rotation de la solution échantillon.

*Les instructions pour le polarimètre POLAX-2L comportent quasiment exactement la même explication que ci-dessus. Le capteur utilisé ici à la même fonction que votre oil dans les instructions pour le POLAX-2L. La marche à suivre pour le réglage de la conduction zéro sur l'AP-100 n'est pas exactement la même que celles qui ont été décrites ici mais toutes les deux sont basées sur les mêmes principes.