INTRODUCTION ET APERÇU HISTORIQUE

L'Électrodynamîque, rÉleclromagnélismeelle Magnétisme constituèrent d'abord trois sciences distinctes; ces trois sciences n'en forment plus qu'une seule aujourd'hui.

Gomme l'ordre que nous allons employer dans l'exposé de cette science est très différent de l'ordre des découvertes successives qui l'ont fondée, il est bon, tout d'abord, de jeter un coup d'oeil sur l'historique de ce sujet.

La pierre d'aimant, ou aimant naturel, est connue depuis une haute antiquité; il en existait des gisements à Magnésie, dans la Macédoine : de là le qualificatif de (JLaYVtjç donné à cette pierre, origine du mot Magnétisme,

On ignore à quelle époque on eut la première fois l'idée de Ikotter de l'acier avec un aimant naturel pour lui communiquer les propriétés magnétiques. On ne sait pas davantage le moment où l'on remarqua Torientalion d'une aiguille aimantée sous l'action terrestre. Ce qui est certain, c'est que la boussole élait connue au xii*^ siècle en Europe; mais les Chinois, paraît-il, en faisaient usage dès l'an looo avant J.-C. Au moyen âge, la science qui nous occupe ne fit aucun progrès. En i 600, le médecin anglais Gilbert composa un ouvrage remarquable (de Magnete) sur les actions réciproques des pôles des aimants. Au xvii*' et au xviii^ siècle, de nouvelles propriétés furent découvertes, et l'on commença à mesurer la valeur de la déclinaison et de l'inclinaison. Enfin, en 181g, la Science fit un pas considérable : le physicien danois P. — II. I

2 INTBODCCTIO?} ET APEBÇU BISTOBIQUE.

(Xrsted découvrit qu^un courant dévie une aiguille aimantée. Ce fut l'origine de Y E leclromagnélisme,

La même année, Ampère, en France, fit connaître la loi générale donnant le sens suivant lequel Taiguille aimantée est déviée et trouva que réciproquement un aimant agit sur un circuit mobile parcouru par un courant. L^année suivante, en 1820, il observa qu'un courant fixe peut mettre en mouvement un courant mobile : V Électrodyna m iq u e éiaii née.

Ampère chercha alors la loi donnant l'action d'un élément de courant sur un autre élément de courant et obtint ensuite, par intégration, Faction d'un circuit tout entier sur un autre; les résultats auxquels il arriva furent trouvés conformes à l'expérience. En 1846, le physicien allemand Wilhelm Weber vérifia les conséquences des calculs d'Ampère : il fit agir Tun sur Tautre deux circuits fermés traversés par un courant, en se mettant dans des conditions où les forces électrodynamiques avaient une grande valeur vis-à-vis des frottements. Ces forces étaient mesurées directement sur le circuit mobile. Les expériences de Weber justifièrent complètement la théorie d'Ampère.

Nous commencerons ce Cours par l'étude des phénomènes électrodynamiques, contrairement à la marche suivie habituellement : cet ordre aura l'avantage d'éviter des calculs compliqués, d'abréger l'exposition et de présenter la notion de quantité de magnétisme sous son véritable jour, c'est-à-dire comme un intermédiciire mathématique très commode, mais ne présentant aucune réalité physique.

ÉLEGTRODYNAMIQUE.

1. Existence des actions électrodynamiques. — Comme nous ravons déjà dit, les actions mécaniques qui s'exercent entre deux circuits traversés par un courant ont été découvertes et étudiées d'abord par Ampère. Nous allons montrer, en répétant les expésiences classiques de ce savant, l'existence de ces actions et établir par expériences les lois du phénomène dans quelques cas particuliers très simples. Nous passerons ensuite aux expériences qui permettent d'arriver aux lois générales.

Nous commencerons par décrire l'appareil qui a servi à Ampère pour obtenir un circuit mobile traversé par un courant {table d'Ampère)^ ou du moins Tune des nombreuses modifications de cet appareil (*), celle dont nous nous servirons dans ce Cours.

Un circuit H {Jiff- i), dont la forme peut être quelconque, est soudé par une de ses extrémités à une pointe d'acier trempant dans un godet de fer rempli de mercure. Ce godet est porté par une petite colonne de cuivre ^, qui, par Tintermédiaire de conducteurs, d'un commutateur et d'une borne, communique avec l'un des pôles de la pile. L'autre extrémité du circuit H est soudée à un anneau de cuivre C, qui entoure un disque en ébonite, ayant pour but d'isoler cet anneau de la pointe d'acier. L'anneau est relié par trois tiges métalliques à une lame de cuivre circulaire, située à la partie inférieure; celle-ci est destinée à assurer la stabilité de l'équipage mobile H et à faire communiquer sa deuxième extrémité avec l'autre pôle de la pile par l'intermédiaire d'eau acidulée, contenue

(') La forme de la table d'Ampère que nous décrivons ici a été construite par M. Ducretet sur les indications de Bertin.

i CBAPtTU I.

dans une cuve de cuivre V, d'un conducteur, du commutateur et d'une borne.

Grâce au dispositif précédent, le circuit mobile H peut tourner autour d'un axe vertical passant par la pointe d'acier, sans cesser d'être traversé par le courant.

En approchant un circuit fixe parcouru par un courant du circuit mobile, en général, celui-ci se met en mouvement et prend une certaine position d'équilibre, ce qui montre l'existence àes forces électrodynamiques. Examinons quelques cas particuliers simples.

Le circuit mobile H ayant la forme d'un cadre rectangulaire dont les côtés sont verticaux et horizontaux (comme sur la figure i), on approche d'un des côtés serticaux un fil vertical parcouru par un courant. On constate que, si le sens du courant est le même dans ces deux fils voisins parallcles, il y a attraction, car on voit le cadre mobile tourner autour de son axe de façon à rapprocher du fil fixe ce cûié vertical.

Si, au contraire, le sens du courant n'est pas le même, il y a répulsion : le côté vertical voisin du fil fixe s'éloigne de lui. Ainsi :

Deux courants parallèles et de même sens s'attirent. Deux courants parallèles et de sens contraires se repoussent.

ELBCTRODTNAHlQni. 5

On constate aussi qu'à mesure que la distance entre les parties agissantes devient plus grande, les forces qui s'exercent sur la partie mobile deviennent plus faibles. Il faut même rapprocher beaucoup les deux courants parallèles l'un de l'autre pour que les forces éiectrodj'namiques puissent vaincre les frottements, pourtant très faibles, de l'appareil.

Ainsi, comme pour les autres actions physiques, les forces électrodjnamtques diminuent rapidement quand la distance augmente.

Si l'on utilise maintenant la partie horizontale du cadre en plaçant au-dessus et horizontalement le fil fixe parcouru par le courant, de manière que les deux portions de courant rectiligne voisines fassent un certain angle, on constate que le circuit mobile tourne de façon que sa partie horizontale supérieure se mette parallèle au 01 Oxe, ces courants étant de même sens. Ainsi :

Deux courants formant primitivement un certain angle tendent à devenir parallèles et de même sens.

Ampère a montre aussi que deux portions consécutives d'un même courant se repoussent.

On réalise l'expérience à J'aide d'une cuve en bois ( fig. a), séparée en deux compartiments parallèles AB et DC, que l'on

remplit de mercure. Sur ce mercure, qui constitue la partie fixe du conducteur, llottc un pont mobile BFC, formé par un (il de cuivre avant deux branches horizontales B et C, réunies par une partie circulaire F; ce fil, qui fait ainsi communiquer les deux compartiments, est recouvert en majeure partie d'un vernis isolant : seules les extrémités B et C du fil en sont dépourvues et touchent le mercure. Dès qu'on relie en P et en Q le mercure aux deux pôles d'une pile, le pont mobile est vivement chassé

dans le sens qui Téloigne des bornes P et Q, montrant ainsi la répulsion des parties consécutives AB et BF, de même que des parties CD et CF(«).

2. Courants de sens inverse. — Courants sinueux. — Lorsque deux conducteurs, traversés par des courants, agissent Tun sar Tautre, si Ton vient à renverser le sens du courant dans Tud d'eux, le sens des forces électrodynamiques qui s'exerçaient entre ces conducteurs est changé. Mais, si les deux circuits gardent respectivement la même position et les courants la même intensité, les forces électrodynamiques, tout en changeant de sens, conservent la même intensité et la même direction.

Pour établir cette loi faisons agir, sur un équipage mobile (table d'Ampère), un fil conducteur recouvert d'une matière isolante, replié sur lui-même et traversé par un courant, de façon à avoir, côte à côte et juxtaposées, deux portions de courant de sens inverses, de même intensité, et occupant la même position par rapport au circuit mobile. On constate que le fil ainsi replié est sans action sur l'équipage mobile; par conséquent, l'action de l'une des portions du courant fixe est exactement égale et opposée à Faction de l'autre portion de sens contraire (^).

Ainsi :

Si Von renverse le sens du courant dans un conducteur sans modifier son intensité, les forces électrodynamiques , qui

(') Très souvent, au lieu d'employer un fil verni pour le pont, comme nous venons de l'indiquer, on emploie un fil de cuivre nu. Le résultat de l'expérience est le même; mais on ne peut plus en tirer la loi qu'on a en vue d'établir. Dans le cas du fil nu, en effet, la partie principale du courant passe dans le mercure jusqu'aux points où le fil de cuivre s'élève au-dessus pour former la partie circulaire F du pont. On observe donc l'action des portions de courant qui passent dans les deux mercures sur cette partie circulaire du pont.

En prenant la précaution de vernir le fil entièrement, sauf aux extrémités B et C, la totalité du courant entre en Bdans le fil pour en sortir en C; les parties du courant qui passent dans le mercure sont trop loin de la partie circulaire F du pont pour avoir une action appréciable, et l'on manifeste bien l'action des parties du courant dans le mercure sur les parties du courant dans les branches horizontales du fil de cuivre qui sont dans le prolongement des précédentes.

(») Cette expérience n'a de valeur, bien entendu, que si elle est faite après avoir consUté que le fil, non replié sur lui-même, est traversé par un courant suffisamment intense pour exercer une vive action sur l'équipage mobile.

ÉLBCTRODYNAMIQUB. 7

s'exercent entre ce conducteur et un autre, changent de sens sans changer d'intensité ni de direction.

On peut encore établir par expérience la loi suivante :

Quand un Jil sinueux est traversé par un courant, celui-ci agit sur un courant mobile comme le ferait un courant non sinueux de même forme générale, à condition que les sinuosités soient très petites relativement aux distances du conducteur au circuit mobile.

A cet efTet, on fait une expérience négative comme la précédente : on prend un (il disposé en hélice ou en zig-zag et s'écartant peu de la partie obtenue en repliant le (il suivant Taxe de l'hélice ou de la partie moyenne du zig-zag; Tensemble du conducteur ainsi doublé, traversé par un courant, est sans action sur le circuit mobile; d'où Ton conclut à la loi énoncée ci-dessus en s^appuyant sur la loi précédente.

3 . Rotations électrodynamiques . — Point d'application des forces électrodynamiques. — Les forces électrodynamiques permettent d^obtenir une rotation continue d'un circuit : c'est ce que nous allons voir en répétant une expérience qu'Ampère fit en 1821.

On peut se servir, pour cela, d'une partie accessoire de la table d'Ampère, composée d'un enroulement de fils circulaires B {fig- i ) appliqués sur l'extérieur de la cuve V, dans lesquels on fait arriver le courant en fermant un interrupteur I. On fait agir ce courant sur un cadre mobile différent de celui que nous avons considéré ; il ne comprend {fig. 3) que trois côtés, deux verticaux

Fig. 3.

et un horizontal; le côté horizontal porte en son milieu le pivot d'acier qui trempe dans le godet rempli de mercure. Le courant arrivant par ce pivot se bifurque dans chacune des moitiés de la

branche horizontale pour gagner les côtés verticaux qui trempent dans Teau acidulée.

Les courants circulaires B agissant sur les côtés verticaux du cadre, dans lesquels nous supposerons d^abord le courant descendant, provoquent une rotation de ces côtés et, par suite, du cadre entier dans un sens opposé à celui des courants circulaires.

On obtiendrait également une rotation continue si le courant était montant dans les côtés verticaux, mais le cadre serait entraîné cette fois dans le sens des courants circulaires.

Si nous citons cette expérience, c'est qu'en la répétant sous une forme un peu différente elle va nous permettre d'en tirer une conclusion des plus importantes.

Au lieu d'employer un équipage mobile linéaire constitué par un fil, traversé en conséquence par un courant de direction bien définie, servons-nous, comme équipage, d'une enveloppe en cuivre permettant la diffusion des courants, celle-ci ayant la (orme d'une surface de révolution {fig> 4) engendrée par la rotation des deux côtés d'un angle droit, dont l'un est vertical,

Fig. 4.

autour d'un axe parallèle à ce côté. Celte surface porte, au centre du cercle, une pointe craoirr que l'on place dans le godet rempli de mercure de la table d'Ampère, pondant que la partie inférieure de l'enveloppe cvlindrique plonge dans l'eau acidulée. Sous l'inlluence du courant, traversant ronroulemenl de fil B, on constate que ce système tourne exactement comme le faisait l'équipage linéaire, malgré répanouissomenl des lignes de courant. On peut, en effet, se figurer ces courants comme partant tous du point d'attache de Taiguille d'acier, puis se propageant suivant les rayons de la circonférence supérieure, pour descendre

ÉLBGTRODTNAMIQUE. 9

ensuite le long des génératrices de la surface cylindrique : ce sjstème revient donc à celui d'une série de courants traversant une infinité de cadres rectangulaires, ayant un axe de révolution commun.

Celle expérience contribue à nous renseigner sur la question suivante : les forces électrodynamiques sont-elles appliquées aux courants eux-mêmes, ou à la matière des circuits que Téieclricité traverse?

Remarquons, en effet, que si les courants circulaires B produisaient des forces électrodynamiques appliquées, non à la matière traversée par le courant, mais aux lignes de courant elles-mêmes, formant un flux descendant le long de la surface cylindrique, ces lignes seules tourneraient sans entraîner le cylindre dans leur rotation; or Texpérience montre le contraire.

Il est probable, d'après cela, que, dans une masse conductrice, les courants ne subissent pas de déviation par faction de courants voisins; c'est ce que montre nettement l'expénence suivante : Considérons une plaque de cuivre AB {^fig* 5) assez épaisse,

Fig. 5.

et par suite assez lourde, pour ne pas se mettre en mouvement sous l'action de forces électrodynamiques; mettons les points A et B respectivement en communication avec les deux pôles d'une pile; les courants se diffusent suivant des lignes de flux représentées en pointillé sur la figure. Soient P et Q deux points quelconques de la plaque; fixons, en P et en Q, les extrémités d'un fil de cuivre comprenant un galvanomètre G; ce fil est traversé par un courant dérivé, lequel produit sur l'aiguille du galvanomètre une certaine déviation. Approchons maintenant de la plaque un circuit traversé par un courant très intense : nous vojons l'aiguille du galvanomètre conserver la même position.

lO CHAPITRE I.

Or, si le courant approche avait déplacé les lignes de flux, le courant dérivé, entre les points P et Q, n'aurait pas été le même, ce qui aurait modifié l'indication du galvanomètre. On peut donc affirmer qu\in courant est sans action sur les lignes de flux d'un courant voisin.

Par suite, la conclusion suivante s'impose :

Les forces électrodynamiques ont pour points d^ application les conducteurs parcourus par les courants et non les courants eux-mêmes.

Si nous insistons sur ce fait, c'est qu'il en est tout autrement dans l'action qu'exerce un corps électrisé sur un conducteur ëlectrisé : l'électricité peut voyager à l'intérieur du conducteur sans que celui-ci soit déplacé (T. I, Chap. I, n° 10), ce qui nous a fait dire que c'était l'électricité, et non la matière électrisée, qui était directement soumise à l'action des forces électriques.