Electrostatique

ELECTROSTATIQUE BALANCE DE COULOMB

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ELECTROSCOPES A FEUILLES D'OR

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APPAREIL POUR PRODUIRE LA "GRÊLE ELECTRIQUE"

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ELECTROMETRES A QUADRANTS

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ELECTROMETRE A PLATEAUX

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CAGE DE FARADAY

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CYLINDRE DE FARADAY

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ISOLATEUR DE MASCART

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MACHINE DE WIMSHURST

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BOUTEILLE DE LEYDE

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BATTERIE DE JARRES

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EXCITATEUR (OU « ECLATEUR »)

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ECLATEUR DE RIESS

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TORPILLE ELECTRIQUE

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PORTRAIT DE FRANKLIN

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PISTOLET DE VOLTA

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APPAREILS ETINCELANTS

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OEUF ELECTRIQUE

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OBJET : est 1 - 1

BALANCE DE COULOMB FONCTION

La balance de Coulomb Sert à étudier l'interaction entre deux charges électriques.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Un petit bâton horizontal On de matière isolante (gomme laque) est suspendu à l'extrémité inférieure d'un fil de torsion. Ce bâton porte à l'un de ses bouts un petit conducteur n (boule de sureau, disque de clinquant). On peut tourner d'un angle mesurable l'extrémité supérieure du fil de torsion à l'aide du disque gradué e et du repère fixe a. La rotation du bâton (et donc de l'extrémité inférieure du fil de torsion) peut aussi être mesurée à l'aide d'une bande de papier c divisée en 360 degrés, collée sur la paroi de la cage de verre cylindrique. Un second conducteur m (petite sphère de cuivre) fixé à l'extrémité inférieure d'une tige verticale isolante i, peut être placé dans le plan horizontal de rotation du bâton On. La tige i et le conducteur m peuvent être mis en place (ou retirés) par l'ouverture r, à l'aide d'un bouton isolant. Il importe de bien dessécher l'air contenu dans l'appareil (chaux vive dans un soucoupe ). En l'absence de toute charge sur m et sur n on place n à une distance  de m puis on charge m ; n est d'abord attiré puis (s'il y a contact) repoussé. La torsion du fil permet le calcul de la force de répulsion. L'expérience, répétée pour diverses valeurs de  permet de vérifier que la force est proportionnelle à 2 . On peut diviser par 2 la charge de m en mettant celle-ci en contact avec un petite sphère de cuivre isolée, identique, et vérifier que, pour la même valeur de , la force est divisée par deux ; en répétant cette expérience, on divise encore par deux et la charge et la force (toujours pour une même valeur de ). D'où les lois de Coulomb : loi en 2 , proportionnalité de la force à la charge de m et à la charge de n.

HISTOIRE

Charles Auguste de Coulomb né à Angoulême en 1736, mort à Paris en 1806. Entré dans le Génie, il construisit le fort Bourbon à la Martinique. Ses travaux en physique :   établit les bases de la théorie de la résistance des matériaux en 1773 ;   énonce les principes des machines simples et les lois sur le frottement en 1779 (étude du frottement aussi par Désaguliers) ;   établit les lois et la théorie de la torsion en 1784 ;   construit la balance de torsion, et établit les lois qui portent son nom en électricité en 1785 ;   invente le « plan d'épreuves » montre que les charges se répartissent en surface sur les conducteurs et étudie leur répartition de 1786 à 1788. Membre de l'Académie des Sciences en 1781, de l'Institut à sa création en 1785. Les expériences de Coulomb ont été reprises par sir William Harris (1791-1867)àl ’ ai ded’ unesuspensi onàt or si on bi f i l ai r eet ,aussi ,àl ’ ai ded’ unebal ancet r èssensi bl e.I lconst at ed’ i mpor t ant s écarts à la loi. Ces écarts furent expliqués par les phénomènesd’ i nf l uence( t r ai t éd’ él ect r i ci t édeM del aRi v e) .I lpeutmêmear r i v erquedeuxconduct eur schar gésdemême si gnes’ at t i r entàt r èscour t edi st anceaul i eudeser epousser ! Vraie seulement pour des charges ponctuelles irréalisables, mais fondement de toute la théorie électromagnétique, la loi de Coulomb est indirectement et plus sûrement prouvée par la vérification expérimentale de toutes les conséquences qu’ onendédui t .

OBJET : est 1 - 2

ELECTROSCOPES A FEUILLES D'OR (de Volta et de de Saussure... ) FONCTION Mise en évidence d'une charge électrique et de son signe.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT L'appareil est constitué par un bocal de verre dont l'orifice supérieur est fermé par un bouchon isolant traversé par une tige de cuivre. L'extrémité supérieure de la tige de cuivre peut être munie, soit d'une boule de cuivre, soit d'un plateau de cuivre. Le plateau sert, soit à y poser un cylindre de Faraday ou une lame de zinc (étude de l'effet photo électrique), soit à en approcher un deuxième plateau de cuivre (cas de l'électroscope condensateur, imaginé par Volta en 1781). A l'extrémité inférieure de la tige on fixe, soit deux pailles (électroscope à pailles), soit deux feuillles d'or (électroscope à feuilles d'or) qui pendent librement, soumises à leur très faible poids. Le bocal de verre repose sur un plateau de cuivre qui peut-être relié au sol. Parfois ce plateau de cuivre porte deux tiges verticales terminées par des boules fixées à leurs extrémités supérieures : proches des feuilles elles servent à augmenter la sensibilité de l'électroscope. Le conducteur : boule (ou plateau ) - tige - feuilles d'or peut être chargé par contact ou par influence. Les feuilles d'or qui se repoussent mutuellement et sont attirées par les parois (ou les tiges reliées au sol) s'écartent d'autant plus qu'elles sont plus chargées (se reporter, pour les expériences, aux traités d'électrostatique). L'électroscope de de Saussure (bocal de verre en forme de petite bouteille parallèlipipédique) peut être muni d'une tige (de 60 cm de hauteur) terminée en pointe ou par une boule et qui prolonge la tige de l'électroscope. Il servit à de Saussure pour l'étude de l'électricité atmosphérique. Cet accessoire manque à notre collection. A sa base un chapeau protégeait l'appareil de la pluie.

Electroscope à feuilles d'or

Electroscope de Saussure

HISTOIRE La propriété d'attraction de menus objets par l'ambre jaune (élektron en grec) frotté, était connue dans la haute antiquité et citée notamment par Thalès de Millet (7e siècle avant Jésus-Christ). L'anglais Gilbert (1544-1603) découvrit que diverses substances (verre, résine, soufre...) possèdent la même propriété que l'ambre. C'est à Coulomb (1736-1806) que l'on doit la première étude quantitative des interactions électrostatiques qui sont à la base des électroscopes.

OBJET : est 1 - 3

APPAREIL POUR PRODUIRE LA "GRÊLE ELECTRIQUE" (appareil imaginé par Volta)

FONCTION

Appareil pour produire la grêle électrique

Explication de la grêle électrique

Réaliser une expérience amusante.

DESCRIPTION ET EXPERIENCE Un socle métallique B supporte une cloche de verre traversée par une tige soutenant un disque métallique A. A et B peuvent être reliés aux deux bornes d'une machine électrostatique et constituent les deux armatures d'un condensateur plan. De petites balles de sureau sont placées sur le plateau B. Une balle se charge négativement au contact de B (position 1 sur la figure) repoussée par les charges de même signe de B, et attirée par les charges positives de A, elle s'élève malgré la pesanteur (position.2). Arrivée au contact de A elle perd sa charge négative (électrons) et se charge positivement (déficit d'élec-trons). Elle est alors attirée par B, repoussée par A, donc précipitée sur B et le cycle recommence. Les balles s'agitent « frénétiquement » entre les deux plateaux assurant un transfert d'électrons de B vers A et donc un courant électrique résultant du déplacement de charges négatives de B vers A.

HISTOIRE Selon Ganot (1862), Volta croyait que les grêlons étaient mus par des nuages électrisés ; et il voulait expliquer comment des grêlons peuvent atteindre un volume considérable avant de tomber. Même au temps de Ganot, cette théorie n’ ét ai tpl usadmi se. Volta (1745-1827) : physicien Italien, a aussi construit un électromètre sensible ; Il est surtout connu pour sa pile faite d'un empilement de disques de cuivre et de zinc alternés et séparés par des disques d'étoffe imbibés d'acide. On lui doit aussi l' « eudiomètre » qui lui permit de réaliser la synthèse de l'eau. Son nom est à l'origine de celui de l'unité de force électromotrice ou de potentiel électrique : le volt (voir notice « est 3 - 4 »).

OBJET : est 1 - 4

ELECTROMETRES A QUADRANTS ( de Mascart notamment ) FONCTION Mesures de différences de potentiel (généralement élevées) ou de charges.

Electromètre à quadrants : schéma

Electromètre de Mascart

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT 1- Principe AA' est une très mince lame métallique, horizontale, mobile autour de l'axe vertical, (de trace O sur la figure), par suspension à un fil de torsion. Ce conducteur, que nous appellerons l'aiguille, est repéré par l'angle et forme, avec la paire de quadrants métalliques BB', portés au même potentiel, un condensateur de capacité C(). Lorsqu'on applique une différence de pot ent i elVent r eAA’d’ unepar tetBB’d’ aut r epar t ,l ’ ai gui l l eestsoumi seàuncoupl e  donné par la formule 1 2 dC  V 2 d

Ce couple est équilibré par celui de torsion ' a et, la dérivée

dC étant sensiblement constante, il en résulte une rotation d

proportionnelle à V² : k V 2 2- Réalisation Ladescr i pt i onquipr écèdeestcel l edel ’ él ect r omèt r edeBr anl yr éper t or i é«est 1 - 4 ». On trouvera une biographie de Branly dans la notice « eld 3 - 8 ». Décr i v onsparex empl el ’ él ect r omèt r edeMascar t .Onut i l i seuneboî t ecy l i ndrique en cuivre coupée en quatre selon deux diamètres orthogonaux, et dans laquelle tourne l'aiguille. Ces quarts de boite sont séparés par de minces rainures. Cela peut se représenter en ajoutant sur la figure, une autre paire de quadrants CC' qui se déduisent de BB' par une rotation de 90 degrès dans le plan. Un petit miroir solidaire de l'aiguille permet de suivre la rotation (méthode de Poggendorf). On peut ajouter un amortisseur pour supprimer ou réduire les oscillations. L'ensemble est placé dans une cage conductrice formant cage de Faraday. 3- Mesures Soit V0 le potentiel de l'aiguille, V1 le potentiel de BB', V2 celui de CC'. Le couple  devient 1 dC  [(V1 V0 ) 2 (V2 V0 ) 2 ] a 2 d ou

k[(V1 V0 ) 2 (V2 V0 ) 2 ] 3.a Montage idiostatique : Une des paires de quadrants (CC' par exemple) est réunie à l'aiguille, elle même portée au potentiel V à mesurer : V0 = V, V2 = V ;l ’ aut r epai r eestr éuni eàl acagedepot ent i elz ér o: V1 =0.D’ où

kV 2

3.b Montage hétérostatique : Onappl i queunedi f f ér encedepot ent i elaux i l i ai r eV’ ,àl ’ ai dedepi l es,ent r el ' ai gui l l eetl acage: V0 =V’ ,l at ensi onV à mesurer est appliquée à CC' (V2 = V)et BB' est réunie à la cage (V1 = 0) d'où :

k (2V' V - V 2 ) On se place dans le cas où V' est de l'ordre de 100 V et V de quelques volts, on a alors sensiblement 2kV' V et la déviation est alors proportionnelle à V .C'est l'intérêt de la méthode). On peut aussi réaliser un montage plus symétrique avec : V1 =- V’ ,V2 =V’ ,V0 = V d'où 4kV' V . 3.c Mesures de charge : Si V est le potentiel d'un conducteur isolé portant la charge Q = CV on déduit Q de la mesure précédente : C Q= . 4kV'

HISTOIRE Thomson (sir William 1824-1907) peut-être considéré comme l'inventeur de l'électromètre quelque peu perfectionné par Mascart. Il fut anobli en 1792 et devint Lord Kelvin (nom d'une petite rivière qui serpente au pied de l'Université de Glasgow où il enseigna). Il créa, perfectionna et industrialisa de multiples appareils : électromètres mais aussi galvanomètres ( voir galvanomètre à aimant mobile « eld 5 - 3 »), ampèremètres etc... En thermodynamique, il fit un énoncé du second principe (après avoir lu « la puissance motrice du feu » de Carnot), il conçut l'existence du « zéro absolu », il découvrit l'effet qui porte son nom. On lui doit l'utilisation de câbles sous-marins pour la transmission des signaux morse. Lors de son jubilé en 1896 ses amis lui adressèrent un télégramme de félicitations de Glasgow à Glasgow via Terre-Neuve, Chicago, San Francisco, Los Angeles, La Nouvelle-Orléans et Washington. Le message mit sept minutes à faire ce périple. Il étudia le magnétisme terrestre, les phénomènes électriques...Mais il serait trop long d'établir ici une liste exhaustive de tous ses travaux !. Mascart (Eleuthère Elie Nicolas 1837-1908) ; Entre à l'Ecole normale supérieure en 1858, Docteur es Sciences en 1864, Professeur au Collège de France en 1872 (chaire de Regnault), Directeur du bureau central de météorologie en 1871, entre à l'Académie des Sciences en 1884. Ses travaux : théorie des courants d'induction, expériences sur l'électricité atmosphérique, sur le magnétisme terrestre, étude du spectre ultra-violet, etc... On retrouvera Lord Kelvin et Mascart à propos de P. et M. Curie (« div 5 »).

L'électromètre de Mascart (gravures)

OBJET : est 1 - 5

ELECTROMETRE à PLATEAUX ( d’ Abr aham etLemoi ne) FONCTION Mesur eabsol ue( c’ est -à-dire r appor t éeàdesmesur esdel ongueur s,massesett emps)d’ unedi f f ér encedepot ent i el( ou d’ unechar ge) .

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT 1 - Principe. La force f quis’ ex er ceent r el esdeuxar mat ur esd’ uncondensat eurpl andecapaci t éC aux quel sonappl i que une différence de potentiel V et que sépare une distance x a pour expression f = ½ V² dC/dx avec : C=  0S / x , S ét antl ’ ai r edel asur f acecommuneauxdeuxar mat ur es( r égi ondechampuni f or meàl ’ i nt ér i eurd’ unanneaudegar de) .On équilibre la force f àl ’ ai dedupoi dsmg d’ unemassemar quéem pl acéesurl epl at eaud’ unebal ance. Lacondi t i ond’ équi l i br epeuts’ écr i r e: 1/2   V=(2g/S  xm  Le terme entre parenthèses contient des facteurs connus dont la mesure absolue est faite une f oi spourt out es:c’ estune const ant ed’ appar ei l;( enf ai tl ’ i nt ensi t ég de la pesanteur varie avec le lieu mais pratiquement pas avec le temps et on sait en faire une mesure absolue). Finalement, la différence de potentiel V se déduira de deux mesures : m et x . 2 - Réalisation. L’ ar mat ur e( oupl at eau)Aestsuspendueàl ’ ex t r émi t éduf l éaud’ unebal ance; pour simplifier on a représenté sur la f i gur eunesi mpl ebal ancemai si ls’ agi tenr éal i t éd’ unebal anceRober v alquiév i t el esosci l l at i ons.L’ ar mature supérieure A est ent our éed’ unanneaudegar deG.Pourd’ év i dent esr ai sonsdesécur i t éA,G,l abal anceetl ’ opér at eursontaupot ent i elz ér o( l a « terre »).

C’ estl ’ ar mat ur ei nf ér i eur eB quiser apor t éeaupot ent i elV ;el l edoi tdoncêt r esuppor t ée par une tige isolante T muni ed’ unecr émai l l èr eC,dontl emouv ementv er t i calper met t antdef ai r ev ar i erx estassur éparl ar ot at i ond’ unbout onD. 3 - Mesures. L’ équi l i br e:f = mg ét anti nst abl e,l ’ appar ei lestconst r ui tdet el l esor t equel ef l éau de la balance ne peut se déplacer qu’ ent r edeuxbut éesr appr ochéesb et b’ .Onpr ocèdeai nsi:l ’ ar mat ur eB ét antassezbasse( x grand, f faible) on place une masse marquée m sur le plateau de droite de la balance , mg étant supérieur à f ; le fléau vient alors reposer sur la butée inférieure b’ .Onr el èv eal or sl ent ementl ’ ar mat ur eB( x décroît, f croit) et, pour la valeur x cher chéequicor r espondàl ’ équi l i br e i nst abl eetqu’ onl i r asuruneéchel l egr aduée,l ef l éauqui t t el abut éeb’et vient reposer sur la butée b. Le potentiel V est calculé avec ces valeurs m et x ;pui say antunepr emi èr ev al eurdeV uncal culd’ er r eur sper metdechoi si runev al eurdem mi euxadapt ée,c’ est -à-di r equiper metd’ obt eni runev al eurpl uspr éci sedeV.

OBJET : est 2 - 1

CAGE DE FARADAY FONCTION Sert à montrer :   que le champ électrique est nul à l'intérieur d'une cavité creusée dans un conducteur soumis à un potentiel électrique élevé   que la charge du conducteur n'existe que sur sa surface extérieure et qu'elle crée un champ électrique au voisinage, à l'extérieur du conducteur.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Ressemblant à une cage à oiseaux, la cage de Faraday est faite d'un grillage dont les orifices permettent de voir l'intérieur tout en étant suffisamment étroits pour que la cage se comporte comme une enveloppe conductrice continue. Des petites boules de « moelle de sureau » sont suspendues à des fils conducteurs accrochés aux parois de la cage, les unes à l'extérieur, les autres à l'intérieur. Lorsque la cage, reliée à une machine électrostatique, est portée à un potentiel élevé, on voit les boules de sureau externes s'écarter fortement de la cage témoignant ainsi d'un fort champ électrique extérieur alors que les boules internes pendent au Applications modernes : bout des fils de suspension, qui restent verticaux, prouvant ainsi écrans protecteurs des circuits électroniques, que le champ électrique interne est nul ou très faible. Les protection contre la foudre (paratonnerre à cage de propriétés des conducteurs creux sont aussi utilisées dans le Faraday), conducteurs creux des générateurs cylindre de Faraday. électriques de Van de Graaf.

HISTOIRE Michaël Faraday (1791-1867) chimiste et physicien anglais, suivit les cours de Davy qui le fit nommer aidepréparateur (1813) et l'emmèna en voyage avec lui en France et en Italie. Dans les années 1820-1822, il fit de très importantes découvertes relatives aux propriétés magnétiques des courants, il montra la réversibilité de la roue de Barlow. I lr éal i sel al i quéf act i ondudi ox y dedecar bone,duchl or eetdel ’ hémi ox y ded’ az ot een1823. Il découvre le benzène en 1824. En 1813, il découvre le phénomène d'induction électromagnétique. Il énonce les lois quantitatives des lois de l'électrolyse (1833-1834). Il étudie l'influence des diélectriques en électrostatique, découvre la polarisation rotatoire magnétique, et le diamagnétisme en 1845 (notice « eld 3 - 1 »).

OBJET : est 2 - 2

CYLINDRE DE FARADAY FONCTION Expériences diverses d'électrostatique ; mesure de charges.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT C'est un cylindre creux, en métal (laiton...), ouvert à son extrémité supérieure, de hauteur assez nettement supérieure à son diamètre. Il peut être posé sur le plateau d'un électroscope (notice « est 1 - 2 »), ou relié à un électromètre. Lorsqu'une charge q, portée par exemple, par un petit conducteur tenu par un manche isolant, est introduit à l'intérieur du cylindre, à une distance de l'ouverture supérieure au diamètre, il apparaît une charge égale sur la surface extérieure du cylindre (ou du conducteur formé par le cylindre et les conducteurs qui lui sont reliés) et ce, indépendamment de la position du petit conducteur. Une charge, - q est répartie sur la face intérieure du cylindre. Si le petit conducteur vient au contact de la surface interne, cette charge - q est neutralisée par la charge q que porte le petit conducteur, lequel peut être retiré sans charge. Si l'on répète n fois l'opération on apporte une charge nq sur la surface externe du cylindre ; cette charge peut être mesurée par un électromètre. De même si des particules chargées pénètrent dans le cylindre elles y totalisent leurs charges : ce sont par exemple les électrons qui constituent les rayons cathodiques dans l'expérience de Jean Perrin (voir notice « eln 2 »), ce peut être aussi des particules ou produites par un corps radioactif.

HISTOIRE L'anglais Michaël Faraday (1791-1867) était le fils d'un pauvre maréchal-ferrand. Apprenti-relieur, il achetait, sur ses maigres économies, des livres et réalisait des expériences avec les appareils qu'il bricolait. Il fut remarqué par un client qui le mit en relation avec Humphry Davy qui le prit comme assistant en 1813 ; il l'emmena en voyage avec lui, en France, en Suisse, en Italie, en Allemagne, en Autriche. L'oeuvre de Faraday est immense ; elle est résumée dans la notice « est 2 - 1 » consacrée à la « cage de Faraday ». Il fit la théorie de l'électrisation par influence qui est à la base des machines électriques de Holtz (1836-1913), de Wimshurst et de Van de Graaf (1935). Ses écrits ont paru, à partir de 1831 dans les « transactions philosophiques » sous le titre de « recherches expérimentales sur l'électricité ». Ils ont été réunis en trois volumes parus en 1839, 1844 et 1855.

OBJET : est 2 - 3

ISOLATEUR DE MASCART FONCTION Introduire une très grande résistance (idéalement infinie) entre un conducteur et le sol.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT A l'époque de Mascart on utilisait essentiellement le verre comme isolant. Mais celui-ci se couvre d'une très mince couche d'eau, d'origine atmosphérique, et devient superficiellement conducteur. On réduisait cet inconvénient par vernissage. La solution de Mascart consiste à plonger la colonne de verre isolante dans de l'acide sulfurique concentré qui est un déshydratant énergique.

HISTOIRE Eleuthère Mascart (1837 - 1908) est entré à l'Ecole Normale Supérieure en 1858 , il passe son doctorat es sciences en 1864 ; est nommé Directeur du bureau central de météorologie en 1871, professeur au collège de France (chaire de Regnault) en 1872 ; il entre à l'Académie des Sciences en 1884. Travaux en électricité (voir électromètre à quadrants de Mascart (Objet « est 1 - 4 »), magnétisme, spectre ultraviolet.... a tenté de mettre en évidence « le vent d'éther ». Pourl apet i t ehi st oi r e,c’ estMascar tquir éussi tàconv ai ncr ePi er r eCur i edesepr ésent eràl ’ Académi edesSci ences où il fut élu avec une marge étroite de huit voix. Antérieurement Branly avait été préféré à Marie Curie qui refusa de se présenter (notice « div 6 »).

OBJET : est 2 - 4

MACHINE DE WIMSHURST FONCTION Générateur électrique à haute tension (pouvant atteindre 105 volts) transformant une puissance mécanique C  (C est le couple appliqué à une manivelle,  la vitesse angulaire de rotation) en puissance électrique VI (V est la tension, I l'intensité de courant débité, de l'ordre de 10-4 ampère) avec un rendement VI / C très faible devant 1). Quoique réversible, cette machine n'est pas utilisée comme moteur.

Machine de Wimshurt

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Deux plateaux de verre (verni) identiques A et B (diamètre 55 cm) sur lesquels sont collées des bandes de « papier d'étain », tournant en sens inverse autour d'un même axe, mus par un système de manivelle, et de poulies et courroies. Deux tiges conductrices aa' et bb' sont disposées diamétralement à l'extérieur des plateaux. La tige aa' est munie de balais qui frottent en a et a' sur les bords opposés du plateau A pour y déposer les charges (opposées) qui naissent par influence par le conducteur aa'. De même les balais b et b' frottent sur le plateau et y déposent des charges. Les charges portées par les plateaux A et B peuvent être collectées par des pointes voisines de leurs surfaces car l'air devient conducteur au voisinage des pointes. Les charges négatives portées par A et par B sont collectées par l'ensemble P de deux peignes et vont charger l'armature interne M d'un condensateur C qui est aussi l'une des bornes de la machine. Les charges positives portées par les plateaux A et B sont de même collectées par l'ensemble P' de deux peignes et vont charger l'armature interne M' d'un condensateur C'. Cette armature est aussi l'autre borne de la machine. Les conducteurs M et M' sont prolongés par les deux branches d'un éclateur dont les boules S et S' peuvent être plus ou moins rapprochées. Bien que les plateaux A et B soient de même diamètre, le plateau B caché par A, a été représenté sur la figure avec un diamètre plus grand que celui de A (pour la commodité du dessin). Le conducteur bb' situé derrière le plateau B a été représenté en pointillés.

Les charges négatives portées par A et qui s'approchent du conducteur bb' provoquent l'apparition , par influence, de charges de signe opposé (positives) dans la région b la plus proche et de charges négatives à l'extrémité opposée de b'. Le balai b cède ses charges positives au plateau B qui les entraîne dans sa rotation de sens antihoraire jusqu'à ce qu'elles soient reprises par un peigne P' et contribuent à charger M'. De même le balai b' dépose ses charges négatives sur B qui les entraîne jusqu'au peigne P où elles chargent l'armature M. Réciproquement les charges positives portées par B s'approchent du conducteur aa', développent par influence des charges négatives en a , positives en b. Le balai a dépose des charges négatives sur A (ce sont celles qui sont citées au début de cette explication) ; elles influencent bb' et captées par un peigne P chargent l'armature M. Le balai a' dépose ses charges positives sur A qui les entraine ; elles influencent bb' et, captées par un peigne P', chargent M'. Parfois le frottement des balais (a, a', b, b') suffit à créer les premières charges ; ou bien, si l'air n'est pas trop humide, l'amorçage se fait en mettant en contact les boules de l'éclateur.

Les arrondis "électrostatiques" Style ou nécessité ? On remarquera que les parties métalliques présentent une profusion de boules. Il ne s'agit pas d'une forme particulière de stylique. Aux très hautes tensions, l'existence sur un conducteur d'une trop forte courbure en un point risque de créer une ionisation de l'air au voisinage de ce point (effet de pointe) et de limiter la tension par écoulement aérien des charges vers le sol. On remplacera la pyramide hexagonale d'une tête de boulon, par une sphère et la jonction de deux tiges orthogonales qui présenterait une arête vive sera entourée d'une sphère. Par contre les feuilles d'étain collées sur le plateau ne seraient pas nécessaires quoique, isolées, elles peuvent restées chargées ce qui faciliterait l'amorçage. La plus grande et la plus belle de nos deux machines de Whimshurst est double (quatre plateaux) ce qui est assez rare.

HISTOIRE

La machine de Ramsden

La machine d'Armstrong

Le philosophe Thalès (-600)av ai tobser v équel ’ ambr ej aunef r ot t éat t i r ai tdemenusobj et s.En1600par utl e«de magnete » de William Gilbert (1544-1603)où i ldécr i tdes ex pér i ences r éal i sées av ec de l ’ ambr ef r ot t é.Les pr emi èr es machines électriques produisent des charges par frottement. En 1671, le bourgmestre de Magdebourg, Otto de Guéricke ( l ’ ex pér i ment at eurdes«sphères de Magdebourg », « flu 2 - 4 ») ,pr odui tdel ’ él ect r i ci t éenf r ot t antd’ unemai nunesphèr ede souf r equ’ i lf ai tt our nerdel ’ aut r e.En1755,Pl ant ar empl acel asphèr edesouf r eparundi squedev er r e.JesseRamsden( 17351800), inventeur du théodolite (« mes 1 - 6 ») et de la machine à diviser (« mes 2 -2 »)f ai tt our neràl ’ ai ded’ unemani v el l eun plateau de verre sur lequel frottent des coussins de cuir bourrés de crin. Les machines de Ramsden eurent une grande vogue dansl essal onsdel anobl esseoùl ’ onsel i v r ai tàdecurieuses expériences : des galants et galantes « électrisants » montés sur des tabourets isolants échangeaient des « baisers électriques »! La machine de Ramsden est présente dans de nombreux laboratoires de lycée ; elle a disparu du lycée Louis le grand. Lamachi nedeNai r neper metder ecuei l l i rl esdeuxv ar i ét éd’ él ect r i ci t é.

Les machines dites « à influence » commencentav ec l ’ él ect r ophor e de Vol t a( 1745-1827), la machine de Van Marum, puis se développent : machine à influence de Holtz (1836-1913), de Wimshurst et plus près de nous : Van de Graaf (1935). I lex i st e même une machi ne él ect r i que à v apeur:l a machi ne hy dr oél ect r i que d’ Ar mst r ong basée surune constatation faite par un chauffeur en 1840 !

OBJET : est 2 - 5

BOUTEILLE DE LEYDE FONCTION Ancêtre des condensateurs, elle a contribué à la mise en évidence de la « condensation électrique ».

La bouteille de Leyde

DESCRIPTION D'une manière générale deux électrodes conductrices - ou armatures - séparées par un isolant constituent un condensateur. Le verre mince de la bouteille de Leyde constitue l'isolant. Une feuille d'étain collée sur la paroi extérieure constitue l'armature externe. L'intérieur de la bouteille est rempli de feuilles d'or ou de cuivre froissées. Une tige de cuivre recourbée en forme de crochet et terminée par une petite sphère de cuivre, passant à frottement dur dans un bouchon de liège plonge dans la bouteille entrant en contact avec les feuilles. L'ensemble de la tige et des feuilles d'or (ou de cuivre) constitue l'armature interne.

HISTOIRE Extrait de « Electricité » de Pellat (1901) « La condensation électrique a été découverte par hasard, en 1745, par un évêque de Poméranie, von Kleist 1. Ce physicien voulait électriser de l'eau contenue dans un flacon de verre, et, à cet effet, il avait plongé dans le liquide une tige métallique qu'il approcha du pôle isolé d'une machine électrique dont l'autre pôle communiquait avec le sol, en tenant le flacon à la main. Ayant voulu retirer la tige, il vit une vive étincelle éclater entre sa main et la tige, et reçut une violente secousse. L'explication du phénomène est simple : la main qui tenait le flacon formait l'une des armatures d'un condensateur, dont le verre était le diélectrique, et dont l'autre armature était la surface de l'eau qui mouillait le verre en face de la main ; les deux armatures étaient reliées aux pôles de la machine, l'une par la tige métallique, l'autre par l'intermédiaire du sol. En approchant sa seconde main de la tige pour retirer celle-ci, l'opérateur fit communiquer par son corps les deux armatures du condensateur chargé. Cette expérience resta d'abord ignorée ; l'année suivante, elle fut refaite, encore par hasard et dans des conditions identiques, au laboratoire du professeur Musschenbroeck, à Leyde, par un de ses élèves, Cuneus. Musschenbroek 2 voulut la répéter et se servit d'un vase de verre à paroi très minces ; la secousse qu'il reçut ainsi fut si violente, qu'en racontant le fait à Réaumur, il lui écrivit qu' " il crut que c'en était fait de lui et qu'il ne voudrait pas recommencer pour la couronne de France". Malgré la frayeur qu'elle avait causée à Mussenbroek, l'expérience devint bientôt à la mode en France, où elle fut surtout vulgarisée par l' abbé Nollet. On reconnut ainsi que l'on peut diminuer la secousse en diminuant le temps pendant lequel la tige est en communication avec le pôle isolé de la machine, que l'eau peut être remplacée par un conducteur quelconque, enfin que la décharge est plus intense avec les verres les plus minces. Bevis substitua à l'eau des feuilles d'or chiffonnées et colla extérieurement une feuille d'étain. Depuis, on a tapissé intérieurement le verre avec des feuilles d'étain que l'on met en communication par un moyen quelconque, feuille de clinquant ou fil de métal, avec l'extérieur. Cette disposition, en augmentant la surface des armatures, augmente la capacité du condensateur. La bouteille de Leyde, telle qu'on l'emploie de nos jours, était construite. »

1

Kleist (Ewald Jürgen Von) savant allemand (1700-1748)

2

Van Musschenbroek (Petrus 1692-1761) physicien hollandais

OBJET : est 2 - 6

BATTERIE DE JARRES FONCTION La batterie de jarres est une forme ancienne de condensateurs associés « en parallèle » (on dit encore « en surface »). On la chargeait avec une machine électrostatique, puis on utilisait sa décharge dans diverses expériences : torpille électrique, portrait de Franklin etc...

La batterie de jarres

DESCRIPTION Une jarre est une bouteille de Leyde dont l'ouverture, plus large, a permis de coller une feuille d'étain sur le paroi intérieure. La tige qui traverse le bouchon de liège est droite et se termine par une chaîne qui assure le contact avec la feuille

d'étain intérieure (armature interne).

Les jarres, ici en nombre de neuf, sont placées dans une caisse en bois intérieurement revêtue d'une feuille d'étain laquelle, en contact avec les armatures externes des jarres, les réunit électriquement et constitue l'une des armatures de la batterie. Les tiges des jarres sont réunies par des barres de cuivre et forment ainsi un conducteur unique : la deuxième armature de la batterie. Un électromètre est parfois placé sur une tige de cette seconde armature et permet de connaître l'état de la charge de la batterie de jarres.

HISTOIRE Voir notice « est 2 - 5 »

OBJET : est 2 - 7

EXCITATEUR (ou « éclateur ») FONCTION Cet objet sert à mettre en communication deux conducteurs, pour charger ou décharger une batterie de jarres par exemple.

DESCRIPTION L'appareil est formé par deux tiges de laiton, courbées, terminées par des boules de même métal et réunies par une charnière. Deux manches de verre permettent de faire varier la distance entre les deux boules pour amener chacune d'elles au contact des conducteurs à relier électriquement. Le second dessin de la notice « est 2 - 6 »endonneunex empl ed’ ut i l i sat i on.

OBJET : est 3 - 1

ECLATEUR DE RIESS FONCTION Permet la réalisation d'étincelles de longueur variable.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Deux conducteurs, sur colonnes isolantes de verre, sont terminés par des sphères qui se font face. La longueur de l'étincelle obtenue en appliquant une différence de potentiel suffisante entre les deux conducteurs, permet d'évaluer celle-ci. Interposé dans un circuit, comprenant une bobine de Ruhmkorff, l'éclateur ne laisse passer que les courants d'induction à la rupture du courant primaire de la bobine, la force électromotrice d'induction (fem) à la fermeture étant trop faible pour produire une étincelle entre les sphères suffisamment distantes. Les fem à la rupture et à la fermeture étant de sens contraires, l'éclateur joue ainsi un rôle « redresseur ». Rappelons aussi qu'interposée dans un circuit comprenant en condensateur, l'étincelle s'accompagne de l'émission d'ondes électromagnétiques découvertes par Hertz (1857-1894).

HISTOIRE Pierre Théophile Riess, physicien allemand né et mort à Berlin (1805-1883), fit d'importants travaux en électrostatique ; il réalisa une machine électrique qui fut appelée « pompe de Riess »

OBJET : est 3 - 2

TORPILLE ELECTRIQUE FONCTION Mi seenév i dencedel ’ éner gi est ockéedansune«batterie de jarres » (condensateurs).

La torpille électrique

DESCRIPTION ET EXPERIENCE Deux tiges de cuivre, isolées, peuvent être réunies entre elles par un petit fil de platine (longueur de 1 à 2 cm ; di amèt r edel ’ or dr edudi x i èmedemm) .Cest i gespeuv entêt r eparai l l eur sr éuni esàunebat t er i edej ar r espr éal abl ement chargées (« est 2 - 6 ») .Lef i ldepl at i neesti mmer gédansunv er r eàpi edcont enantdel ’ eauet lui-même placé dans une bassine (fig.1). Ladéchar gedel abat t er i eestpr ov oquéeàl ’ ai ded’ unécl at eur( «est 2 - 7 »). Le fil de platine est alors vaporisé au sei n d’ unl i qui depeucompr essi bl e; il en résulte une « onde de choc » qui brise le verre à pied (La bassine sert à r ecuei l l i rl ’ eauetl esdébr i sdev er r e) . L’ él ect r of or mage L’ éner gi e él ect r i que st ockée dans l a bat t er i e de jarres est égale à ½ CV² formule où C est la capacité de la batterie (plutôt faible) et V la tension à ses bornes (très grandes : quelques kilovolts). L’ ef f et Joul e pr odui t est pr opor t i onnel à l a résistance du conducteur ; celle-ci est très faible sauf pour le f i ldepl at i nequir eçoi tai nsil apl usgr andepar tdel ’ éner gi e électrique de la batterie.

L’ onde de choc ai nsigénér ée dans un l i qui de peut servir à appliquer une tôle métallique sur un matrice dont la forme en creux est complémentaire de la forme en relief que prend finalement la tôle. Cette technique est appelée électroformage.

OBJET : est 3 - 3

PORTRAIT DE FRANKLIN FONCTION Obt ent i ond’ unei mageparv apor i sat i ond’ unef eui l l ed’ or ,ut i l i santl ’ éner gi eél ect r i qued’ unebat t er i edej ar r es.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Onsuper pose:unef eui l l edepapi er ,unpochoi r( f eui l l eév i déeenf or medepor t r ai t ,etunemi ncef eui l l ed’ or .Let out estser r éent r edeuxpl aquesdeboi sàl ’ ai dededeuxt i gesf i l et éesetd’ écr ous«papillon ».Lesbor dsdel af eui l l ed’ orsonten cont actél ect r i queav ecl esv i sdeser r ageenl ai t on.A l ’ ai ded’ unécl at eur( «est 2 - 7 »), on décharge une batterie de jarres (« est 2 - 6 »)àt r av er sl af eui l l ed’ or .Cel l eciestv apor i séeetl av apeurpr odui t esecondensesurl espar t i esdégagéesdu papier, à travers le pochoir, produisant une image brune : le « portrait de Franklin ».

HISTOIRE Nousnesav onspasquii magi nal ’ ex pér i encequenousv enonsdedécr i r emai snoussav onsquiét ai tFr ankl i n. Benjamin Franklin (1706-1790), américain, fut à la fois inventeur et homme politique. Il débute comme apprenti chez sonf r èr ei mpr i meuretacqui er tunef or mat i ond’ aut odi dact e.Al asui t ed’ undésaccor dav ecsonf r èr e,i lpar ten1723pourNewYor koùi ldev i entl ecompt abl ed’ unr i checommer çant .I lrevient à Philadelphie en 1730 et fonde une imprimerie. Il achète la « Gazette de Pennsylvanie ».I ldev i entmaî t r edespost esd’ Amér i queen1753.I li nv ent el ecal or i f èr e. I ldécouv r el er ôl e des i sol ant s ;r emar que ( en 1752)l ’ i dent i t é de l ’ él ect r i ci t é et de la foudre et invente le paratonnerre, ce pourquoi il est bien connu. Homme politique, il représente les intérêts de la Pennsylvanie à Londres de 1757 à 1762. Reçu triomphalement à Par i s,ou,gr âceàBuf f on,i lét ai tmembr edel ’ académi e,i lyr encontre Robespierre, Danton et Mirabeau. Appuy éparLaFay et t e,i lv i entàboutdesr ét i cencesdeLoui sXVIetdeTur gotetobt i entl ’ env oid’ unear mée( 1780) etd’ unef l ot t e( 1781)enAmér i queai nsiqu’ uneai def i nanci èr e. C’ estl ui ,quien1787r édi gel aconstitution fédérale.

OBJET : est 3 - 4

PISTOLET DE VOLTA FONCTION Montre l'action d'une étincelle électrique sur un mélange détonant.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Le pistolet de Volta est une petite bouteille en métal (laiton) que l'on peut remplir d'un mélange gazeux détonant (hydrogène et oxygène). La bouteille est fermée par un bouchon de liège. Une électrode munie de deux petites boules (l'une extérieure, l'autre proche de la paroi intérieure) traverse la paroi à travers un isolant . Tenant la bouteille à la main, on approche la boule extérieure d'un pôle d'une machine électrostatique. Une étincelle, éclatant entre la boule intérieure et la paroi, provoque l'explosion du mélange gazeux et l'expulsion violente et sonore du bouchon. Notre pistolet diffère du pistolet de Volta décrit par certains (Ganot par exemple) sur deux points :   l'électrode traverse le fond de la bouteille (et non la paroi latérale) ;   l'orifice bouché est au fond d'un pied qui doit être utilisable comme entonnoir pour le remplissage de la bouteille sur cuve à eau.

HISTOIRE Alessandro Volta, physicien italien (1745-1827) fut professeur à l'école royale de Côme puis de 1779 à 1819 professeur à Pavie. Il est fait comte par Bonaparte. Ses recherches lui font découvrir en 1771 l'électrophore qu'il étudie à l'aide d'un électromètre sensible de son invention (1781), ce qui le mène à la conception du condensateur (1782). Ses études, en 1776-1777, des gaz des marais, inflammables, l'avaient amené auparavant à inventer l'eudiomètre et notre objet : le pistolet de Volta en 1777. Luigi Galvani (1737-1798) médecin et physicien italien, professeur à l'Université de Bologne avait découveret dès 1780 l'excitation des muscles d'une grenouille au voisinage d'une machine électrique. Il fit, entre autres, l'expérience suivante : produire la contraction des muscles par contact avec les extrémités d'un arc métallique fait de deux métaux : zinc et cuivre. Mais Galvani attribuait le phénomène à un « fluide vital » produit par la grenouille et il s'opposa à Volta qui, lui, s'intéressa plutôt aux métaux dont il réalisa une classification par ordre, dirions-nous aujourd'hui, d'électropositivité. Enfin, réfléchissant profondement à l'expérience de Galvani, Volta inventa et construisit, en 1800, la fameuse pile qui porte son nom et qui marque le début de l'électrodynamique.

OBJET : est 3 - 5 a b et c

APPAREILS ETINCELANTS

Appareils étincelants

DESCRIPTION ET EXPERIENCE De petites lames métalliques, en forme de losanges, sont collées sur une surface de verre et forment un alignement spiralé. Un petit intervalle est ménagé entre deux losanges. Les extrémités de ces alignements peuvent être reliées à une machine électrostatique. On obtient alors un alignement d'étincelles de plus bel effet, chacune d'elles se situant entre les deux sommets de losanges qui se font face (a,b).

VARIANTE (est 3 - 5 c) Sur l'appareil, une petite bande d'étain collée sur un carreau de verre comporte des coupures. A chaque coupure correspondra une étincelle. Les étincelles distribuées en lignes et colonnes dessinent la figure voulue. Avec beaucoup d'imagination, les étincelles jouent le rôle de « pixels » ; on peut y voir la préfiguration d'écrans plats pour télévision ! Avec non moins d' imagination on peut songer à la « chambre à étincelles » détecteur mis au point par le prix Nobel Q.Charpak.

OBJET : est 3 - 6

OEUF ELECTRIQUE FONCTION

Observation de la décharge électrique dans l'air raréfié.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Extrait du « Traité élémentaire de physique « de Ganot (1862 ), page 599. « On étudie les effets de la pression de l'air, ou plutôt de sa non conductibilité, sur l'éclat de la lumière électrique, au moyendel ' œufél ect r i que. On nomme ainsi un globe de verre porté sur un pied de cuivre, dans lequel sont deux tiges de laiton terminées en boule, la tige inférieure est fixe et la tige supérieure glisse à frottement dans une boîte à cuir, de manière à pouvoir être approchée ou écartée à volonté. Cela posé, le vide étant fait dans le globe, au moyen de la machine pneumatique, sur laquelle il peut se visser, on fait communiquer la tige supérieure avec une forte machine électrique, et le pied avec le sol. Si l'on charge alors la machine, on observe d'une boule à l'autre une lumière violacée peu intense et continue, qui est due à la recomposition du fluide positif de l boule supérieure avec le fluide négatif de la boule inférieure (sic). Si on laisse rentrer l'air peu à peu, à l'aide d'un robinet adapté au pied de l'appareil, la tension augmente avec la résistance (sic), et la lumière qui redevient blanche et brillante, n'apparaît plus que sous la forme de l'étincelle ordinaire. »

HISTOIRE I lsembl equel ephy si ci enangl ai sFr anci sHauksbee( décédév er s1713)ai tét él ’ aut eurdespr emi èr esr echer ches sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés. Geissler Henri (1814-1879) mécanicien et physicien allemand se rendit à Bonn en 1854 pour se perfectionner sous la direction de Plücker. On lui doit les tubes à décharge qui portent son nom. Ces tubes contiennent des gaz raréfiés (0,1 mm de mercure) ; munis de deux électrodes ils présentent une partie capillaire qui sert de source spectrale. On les alimente avec une bobine de Ruhmkorff. Plücker Julius (1801-1808), mathématicien et physicien allemand étudia la décharge électrique dans les gaz raréfiés. Il découvrit l af l uor escence pr odui t e parl esr ay onscat hodi quesetl edépl acementdecet t ef l uor escenceparl ’ act i ond’ un aimant (notices « eln 1 » et « eln 2 »). ses travaux mathématiques sont très importants.