Phénomènes produits par un flux alternatif. — On
a étudié dans les chapitres ii et iii les phénomènes produits par un courant alternatif sur le circuit même qu'il parcourt ainsi que sur un second circuit fixe placé à proximité sur le parcours du flux, dans des conditions telles que leur tendance à se déplacer soit empêchée par la fixation du système. Il convient maintenant d'examiner les phénomènes qui se produisent dans un circuit, sous l'action de Tinduction mutuelle, lorsque ce circuit est mobile, c'est-à-dire libre de se mettre en mouvement, ainsi que TefTet dû à la présence d'un écran magnétique qui le soustrait totalement ou partiellement à l'action du fiux alternatif.
Les phénomènes qui se produisent dans ces conditions et qu'il est facile de vérifier expérimentalement ont été observés pour la première fois par le professeur Élihu Thomson.
Pour effectuer ces expériences, il faut avoir à sa disposition un puissant électro-aimant h courant alternatif, avec noyau droit constitué par un faisceau de fils de fer doux.
Ces expériences se font encore mieux avec un petit électroaimant à noyau feuilleté, dans le circuit duquel est intercalé un interrupteur de Wehnelt qui permet d'obtenir un courant variable de très grande fréquence.
Si on enfile sur Textrémité saillante du noyau un anneau assez gros, en cuivre ou mieux en aluminium, et que Ton envoie le courant dans Tenroulement de Télectro-aimant, il semble, au premier abord, queTanneau doit rester immobile, puisqu'il est le siège d'un courant induit et que tout courant qui se trouve dans un champ magnétique, quoique tendant bien à se déplacer, doit rester immobile puisque les actions produites doivent se neutraliser si l'on tient compte des considérations suivantes :
Lorsqu'on suspend, parallèlement aux spires, un anneau autour d'un électro-aimant parcouru par un courant continu, si on excite cet électro-aimant, il se produit un champ magnétique; le courant induit dans l'anneau donne naissance à un flux de sens contraire et l'anneau est repoussé. En supprimant le courant inducteur, c'est-à-dire le champ magnétique, le courant induit dans l'anneau change de sens et l'anneau est attiré. On peut en déduire que, si le courant qui excite l'élec-
tro-aimanl est alternatif, h chaque période il se produira deux fois une attraction et deux fois une répulsion et, ces actions se compensant, l'anneau doit rester immobile.
Mais il ne faut pas oublier que l'intensité du courant A* B» C* D*... est décalée en retard, par suite de la self-induction, sur la force électroraotricc induite ab cd{/ig. 99). La courbe de cette force électromotrice induite suit, comme on l'a déjà vu, celle du flux alternatif A B C D... à la distance de 1/4 de période. Si l'intensité était encore décalée en retard de 1/4 de période, la force d'attraction (flux et intensité de môme sens) serait compensée par la force de répulsion (flux et inten-
FlG. {){).
Fie. llK».
site de sens contraire). Si, au contraire, Tintensité est décalée de plus de 1/4 de période, l'attraction se produit seulement dans les parties hachurée^ sur la figure 99, tandis que, dans les autres, il y a répulsion. Celte dernière étant prédominante, l'anneau tend îi sortir du noyau sur lequel il est enfilé (figAOO) et il est repoussé si la force de répulsion est plus grande que l'action contraire de la pesanteur. Pour efl'ectuer cette expérience plus simplement, on peut compenser l'action de la pesanteur en attachant l'anneau à l'une des extrémités d'un fil passant sur une petite poulie, Tautre extrémité libre étant munie d'un poids équilibrant exactement celui de l'anneau. En disposant l'anneau à une distance de quelques millimètres au-dessus du noyau, le même phénomène se produit également.
En interposant entre Tanneau et le noyau une lame de cuivre, la répulsion n'a pas lieu. Cette lame de cuivre constitue un écran en ce sens que le courant induit dans cette lame produit un flux alternatif qui est précisément de sens opposé au flux inducteur, parce que cette lame a une résistance très faible et une self-induction négligeable. Au delà de la lame, il n'y a plus de fliix et Tanneau n'est plus le siège de phénomènes d'induction.
En disposant convenablement un écran approprié, il est possible de faire tourner un disque soumis à l'action d'un flux alternatif.
On prend un disque d'aluminium ou de cuivre {fig, 101) bien équilibré et on le fait reposer par son centre sur un pivot ou encore on le suspend horizontalement à l'aide d'un fil. Si, à l'aide de l'électro-aimant qui vient d'être décrit, on fait agir un flux alternatif sur la face inférieure du disque vers la périphérie, il se développe dans le disque des courants
induits, plus ou moins circulaires, qui se ferment sur euxmômes en suivant un circuit de faible résistance. La figure 101
montre la direction de ces courants lorsque le pôle de Télectro-aimant, placé au-dessous du disque, est un pôle Nord et que le flux augmente. On comprend, dans ces conditions, qu'il ne se produise aucun mouvement de rotation.
Mais, si entre l'électro-aimant et le disque on interpose un secteur métallique S, en aluminium ou en cuivre, de manière que ce secteur couvre partiellement le noyau de Télectro-aimant, il ne se développe plus de courants induits dans la partie du disque protégée par le secteur formant écran, mais il s'en produit dans la partie non protégée, ces courants suivant des circuits dont la forme est indiquée approximativement sur la ligure 102. Des courants parasites analogues se développent également dans le secteur formant écran. Par rapport à l'axe de symétrie qui va du centre du disque au pôle, ces courants parasites sont constamment parallèles et, par suite, s'attirent.
Le secteur étant fixe, le disque se met en mouvement Le mouvement ne peut se produire que dans une seule direction, car la partie du disque soumise à l'action du champ alternatif tend constamment à se porter vers la partie protégée par l'écran.
PiG. 102.
Ce phénomène est très souvent utilisé. Par exemple, dans un des types de lampe à arc difTérentielle à courant alternatif de la maison Schuckert : le mouvement des charbons^ s'effectue par suite de la rotation d*un disque d'aluminium aux extrémités d*un diamètre duquel agissent deux bobines, dont Tune est montée en série et l'autre en dérivation, toutes deux étant munies de secteurs de cuivre remplissant le rôle d'écrans magnétiques. Suivant que l'action de l'une ou de l'autre de ces bobines prédomine, le déplacement se produit dans un sens ou dans l'autre pour écarter ou pour rapprocher les charbons.
Dans le compteur Blathy, le même phénomène est utilisé pour produire un couple moteur pouvant équilibrer les résistances dues aux frottements.
Enfin, si on suspend un anneau ou un cadre de cuivre devant le noyau d'un électro-aimant parcouru par un courant alternatif, on constate
qu'il subit une certaine répulsion; mais, si l'anneau est incliné par rapport à la direction du flux [fig. 103), le phénomène de répulsion est alors masqué par un autre, c'est-à-dire par la .rotation de l'anneau autour de son axe de suspension, à moins qu'il ne vienne se placer parallèlement aux lignes de force du champ et alors le mouvement de rotation s'arrête.
Ce phénomène est dû au décalage de phase de l'intensité par rapport à la force électromotricê induite. En effet, les variations du flux donnent naissance à des courants induits dans la spire fermée sur elle-même (anneau ou rectangle). Si cette spire est perpendiculaire au flux, les actions électromagnétiques du champ et du courant, en ce qui concerne la rotation, se font équilibre; lorsque, au contraire, la spire est légèrement déplacée, la direction des forces électromagnétiques ne passe plus par l'axe de suspension et il se pro-
(luit un couple alternatif. Lorsque Tintensité est en concordance de phase avec la force électromotrice, la moyenne des valeurs positives du couple est égale à la moyenne des valeurs négatives et la spire reste immobile ; s'il y adécalage en relard de rintensité, la moyenne des valeurs négatives est plus grande que la moyenne des valeurs positives et la spire prend un mouvement de rotation jusqu'à ce que son plan se trouve parallèle aux lignes de force, position pour laquelle le mouvement de rotation cesse.
Ce mouvement de rotation est maximum lorsque le plan de la spire est incliné de 45° sur la direction du tlux.
Lorsqu'on oppose une force antagoniste (ressort en spirale, fil de suspension, etc.) au mouvement de rotation de la spire, le dispositif ainsi constitué peut être titilisé, comme électrodynamomètre d'un genre spécial, pour la mesure de l'intensité des courants alternatifs (galvanomètres de Bellati et de Giltay).
61. Combinaison de flux magnétiques alternatifs. Champs tournants. — La combinaison convenable de deux flux magnétiques alternatifs peut donner lieu à des phénomènes qui présentent une certaine analogie çivec ceux que l'on
obtient avec deux forces alternatives, agissant, dans des conditions déterminées de direction et de phase, sur un système matériel.
Par exemple, si, par l'intermédiaire de deux bielles Fio. 104. /et / [fig, 104), on fait agir
sur un bouton de manivelle B deux forces alternatives / et /^ (produites par exemple par les deux pistons d'un moteur à vapeur) et que ces deux forces soient décalées Tune par rapport à l'autre de 1/4 de période (c'est-k-dire que les maximade l'une coïncident avec les points de valeur nulle de l'autre et réciproquement), le bouton de manivelle prend un mouvement circulaire par l'efTet d'une
Fio. 105.
force tangentielle presque constante. Le temps que met le bouton pour effectuer un tour correspond exactement à la période de la force motrice.
En supposant que ces deux forces alternatives soient représentées par deux courbes sinusoïdales décalées de 1/4 de période [fig, 105), il y a à examiner les valeurs qu'elles ont aux différents points die la période.
En négligeant Tobliquité de la bielle, en reportant ces forces sur le bouton de la manive^^le qui doit se trouver dëns la position correspondant à l'instant considéré de la période et en appliquant la règle du parallélogramme, on trouve pour chaque point une résultante égale et toujours dans une direction tangentielle.
On peut également obtenir un mouvement de rotation avec trois forces alternatives décalées de 1/3 de période, en supposant qu'elles aient chacune même période et qu'elles agissent simultanément sur le bouton de manivelle, suivant trois directions placées à 120° l'une de l'autre.
Des effets analogues à ceux qui viennent d'ôtre décrits dans l'exemple cinématique peuvent être réalisés par la combinaison de deux champs alternatifs disposés à angle droit l'un par rapport à l'autre, à condition qu'il y ait un retard de phase de 1/4 de période entre les deux Qux; il se produit alors un champ magnétique tournant. De même, en prenant trois champs alternatifs disposés à 120° l'un de l'autre, pourvu qu'ils soient décalés entre eux de 1/3 de période, on obtient un champ tournant constant.
C'est au regretté professeur Galileo Ferraris qu'appartient l'idée heureuse et géniale de la découverte des champs tournants, dont l'importance scientifique et pratique est considérable. C'est à cette découverte qu'est due la solution complète
du problème important de la transmission électrique de l'énergie à distance.
Ferraris, en examinant le phénomène de la rotation du plan de polarisation de la lumière, fut conduit, par un de ces raisonnements de grande simplicité qui sont le propre du véritable génie, à concevoir la possibilité de réaliser un flux magnétique tournant, d'intensité constante, par la combinaison, de deux flux alternatifs.
L'idée du champ magnétique tournant n'était pas nouvelle, puisque Babbage et Herschel, en inversant la célèbre expérience d'Arago (rotation d'un disque de cuivre placé au-dessous d'un aimant), firent tourner un aimant sous un disque de cuivre «t avaient ainsi réalisé, dès 1825, un champ magnétique tournant; maie l'idée géniale de Ferraris est d'avoir pu obtenir ce champ tournant au moyen de deux courants agissant sur des circuits fixes.
Ferraris prit deux cadres rectangulaires  et B {fig, 106) qu'il disposa à angle droit l'un par rapport à l'autre et fit passer respectivement, dans chacun de ces cadres, un courant alternatif; ces deux courants avaient môme période et même intensité et étaient décalés l'un par rapport à l'autre de 1/4 de période. 11 suspendit au centre de ce système un léger cylindre de cuivre C afin de vérifier s'il pouvait obtenir le mouvement de rotation de ce cylindre comme cela s'était produit dans l'expérience de Babbage et Herschel pour le disque de cuivre soumis à l'action du champ. L'expérience lui montra l'exactitude de ses prévisions et le champ Ferraris^ qui présente une si grande importance dans la réalisation du transport électrique de Ténergie à distance, était trouvé.
La figure 107 est la reproduction photographique du véri-table appareil primitif qui servit à Ferraris pour effectuer sa première expérience.
Pour mieux analyser le phénomène, on peut supposer que,
FiQ. 106.
dans Tespace occupé par le cylindre de cuivre, le champ magnétique produit par chacun des deux courants a une répartition uniforme el qu'il varie d'intensité suivant les ordonnées dWe sinusoïde. Dans ces conditions, en un point quelconque, agissent deux forces variables /, f^ dont les directions sont à angle droit lune par rapport à l'autre (Jig, 108) et dont la résultante F est une force magnétique constante se déplaçant dans l'espace avec une vitesse uniforme, à la condition que
FiG. 107.
Fia. 108.
les deux forces / et /^ aient des valeurs variant respectivement •comme les ordonnées de deux sinusoïdes décalées de 1/4 de période.
Dans ces conditions, en chaque point de l'espace occupé par le cylindre de cuivre, ce dernier est traversé par un flux d'intensité constante et d'amplitude maximum, mais tournant (champ Ferraris) ; ce flux effectue un tour complet dans un temps égal à celui de la période du courant alternatif.
Le naouvement de ce champ magnétique constant donne naissance, dans le cylindre de cuivre, à des courants induits qui, comme l'indique la loi de Lenz, sont de sens tel qu*ils réagissent toujours sur le champ magnétique qui les a produits; il se forme ainsi une sorte de lien élastique immatériel ^ntre le champ et les courants. Ces derniers tendant toujours à suivre le champ qui leur a donné naissance, le circuit dans lequel ils se sont développés se met à tourner.
La vitesse angulaire du cylindre de cuivre est, dans tous
Fia. 109.
i52 LA TECHNIQUE DKS COURANTS ALTERNATIFS
les cas, plus faible que celle du champ, parce que la présence d'une force électromotrice d'induction est liée à l'existence d'un mouvement relatif (§ 20). La différence qui existe entre la vitesse angulaire du champ tournant et celle du cylindre est appelée glissement.
11 n'est pas encore opportun de déduire de ce fait les conséquences qui en découlent et sur lesquelles on aura l'occasion
de revenir, à propos de l'étude des moteurs. 11 y a lieu pourtant de faire remarquer que, si Ton a trois spires disposées dans des plans verticaux et formant entre elles des angles de 60° (fig. 103) et que Ton fasse passer respectivement dans chacune de ces trois spires trois courants alternatifs ayant des valeurs efficaces égales, mais décalés l'un par rapport à l'autre de 1/3 de période, les champs alternatifs auxquels ils donnent naissance sont décalés de- 120° et, dans l'espace compris entre les trois spires, leur résultante est un champ tournant unique, d'intensité constante, champ qui effectue un tour complet par période du courant.
La petite dynamo à courant continu, pourvue de trois anneaux permettant de recueillir des courants alternatifs, dynamo dont il a été question dans le paragraphe 6, peutt^tre utilisée avec avantage pour reproduire les expériences fondamentales relatives au champ tournant et Ton ne saurait trop engager ceux qui le peuvent à effectuer eux-mêmes ces expériences; c'est le meilleur moyen de se rendre compte de cet intéressant phénomène.
Ainsi, en imprimant une faible vitesse angulaire à la dynamo, on obtient un champ qui tourne lentement et qu'il est facile de rendre visible à l'aide An spectre magnétique : la limaille de fer se met à tourner et la force centrifuge en projette les parcelles à l'extérieur.
Si le courant est assez intense et que le nombre de spires des trois bobines soit suffisant, on peut réaliser une curieuse expérience.
On place dans le champ magnétique un petit disque de verre muni d'un rebord en carton et Ton pose sur lui un œuf creux en cuivre ou en aluminium ^ Tout d'abord, l'œuf se met à tourner d'une manière désordonnée, puis plus rapidement, jusqu'à ce que, d'un mouvement brusque, il se dresse sur sa pointe et continue ainsi à tourner autour de son grand axe, que Ton appelle axe spontané de rotation. De même, un disque un peu grand de cuivre ou d'aluminium, à face légèrement convexe et légèrement arrondi sur les bords, se met à tourner et se redresse progressivement jusqu'à ce qu'il arrive à tourner autour d'un de ses diamètres.
Ces i>hénomènes se produisent toutes les fois que l'on imprime un mouvement de rotation à un corps libre qui tend à tourner autour d'un axe de chaque côté duquel la masse est uniformément distribuée ; c'est là une conséquence du principe de rinertie.
