CHAPITRE I

4. Les condensateurs électriques. — L'étude des oscillations électriques repose sur l’observation de la décharge d’un condensateur. On appelle ainsi l'ensemble formé par deux surfaces À conductrices, dites armatures, séparées par un milieu ésolant, appelé diélec- {rique (air, verre, ébonite, paraffine.…).

Un condensateur plan est formé par des plaques planes parallèles. La bouteille classique de Leyde est un condensateur cylindrique (fig. 1). Sur les faces extérieure et intérieure d’une bouteille ou jarre sont collées des feuilles d’étain constituant les deux armatures.

Une tige métallique, terminée par une sphère, assüre au moyen de ressorts le contact avec l’armature intérieure.

Fig..1.

Dans les figures on schématise le condensateur par deux traits parallèles.

Pour charger le condensateur, on met chacune des armatures en relation avec chacun des pôles d'une source électrique, machine, batterie de piles, etc..., présentant entre leurs pôles une différence de potentiel (1). On peut aussi réunir une des armatures à l’un des pôles et mettre en communication avec le sol, ou, comme l’on dit, mettre au sol, le second pôle et la seconde armature.

Un condensateur a une capacité d'autant plus grande que ses armatures prennent une plus grande charge électrique ou quantité d'électricité lorsqu'on les charge avec une même source électrique. La capacité varie comme la surface des armatures et en raison inverse de leur écarlement.

Elle dépend aussi du diélectrique interposé.

2. Décharge du condensateur. — Supposons qu'il existe entre les armatures du condensateur une différence de potentiel suffisante pour faire

éclater une, étincelle entre les deux boules d’un exci-

ne) Em) lateur a b (fig. 2). Mettons B A l'armature À en relation avec a au moyen d’un fil métallique, puis, au moyen

d’un second fil isolé, faisons communiquer B et b : une élincelle éclate entre a et b. À ce moment, on peut dire que toute la résistance du circuit se réduit à celle des conducteurs métalliques ; le passage de

Fig. 2.

(1) Pour la définition des grandeurs, les termes employés dans cet ouvrage, et les compléments relatifs à ce chapitre théorique, le lecteur se reportera utilement à l’un des ouvrages suivants : Physique (classe de math. A et B), par H. Bouasse et L. Brizaro, Delagrave, Paris ; idem, par H. PeLrar et P, Sa- CERDOTE, JuVen, Paris.

l'étincelle rend négligeable la résistance du diélectrique.

Deux cas peuvent alors se présenter, suivant que la résistance offerte au passage de l'électricité est grande ou faible, et l’on peut se rendre compte, au moins grossièrement, de l'allure du phénomène, c'est-à-dire de la manière dont le courant s'établit, en le comparant au courant liquide qui s'établit entre deux vases où les zZveaux sont différents, lorsqu'on établit une communication entre eux. Cette analogie hydrodynamique est très commode »our la compréhension des phénomènes électriques.

3. Analogie hydrodynamique. — Supposons que nous ayons deux vases V et V' contenant un liquide à des niveaux différents. Ces vases sont réunis par un caoutchouc à large section que l'on peut aplatir plus ou moins à l’aide d’une pince, afin d'offrir au passage du courant d’eau une résistance plus ou moins grande. Aplatissons-le d’abord beaucoup : nous verrons le liquide monter progressivement dans le vase dont le niveau est le plus bas jusqu'à ce que l’équilibre soit atteint, lentement et sans oscillations autour de la position d'équilibre définitive. Le liquide s’est toujours écoulé du niveau le plus élevé vers le niveau le plus bas par un courant continu.

Au contraire, laissons le tube largement ouvert dans toute sa section. Nous verrons les liquides en V et V’ osciller plusieurs fois autour d’une position d'équilibre, c’est-à-dire monter et descendre alternativement jusqu'à ce que l'égalité de niveau soit atteinte. Cette fois, le liquide s’écoule successivemeñnt dans des sens différents de V vers V’ et de V' vers V : on a un courant alternatif, l’équilibre n’est obtenu qu'après des oscillations.

En résumé, c’est donc de deux manières différentes que l'équilibre peut être atteint, soit par un

courant toujours dans le même sens dit courant continu, soit par des courants dirigés alternativement dans des sens différents, ou courants oscilladotres.

4. Période d'un courant oscillatoire. — Tout mouvement oscillatoire est caractérisé par sa période, c'est-à-dire par le temps nécessaire pour qu'une oscillation complète soit effectuée. Dans le cas précédent, cette période dépend de la constitution du système. Pour une même différence de niveau, plus la masse d’eau est grande, plus l’oscillation est de longue durée. Nous retrouverons tous. ces caractères dans l'étude de la décharge des condensateurs où l’on peut poursuivre d'une façon étroite cette analogie hydrodynamique.

Lorsque le condensateur est chargé, on admet que ses armatures sont à des veaux électriques ou potentiels différents et que l’une des armatures possède de lélectricité positive, l’autre de l'électricité négative. |

Lorsque l’étincelle éclate en ab, elle ouvre brusquement passage à l'électricité. On sait que dans les phénomènes du courant, l’on peut n CAES que le transport d'électricité positive.

Ce passage se fait seulement dans un seul sens si la résistance du circuit est grande, comme dans le cas où la petitesse de la section du tuyau séparant les deux vases offrait au courant liquide une grande résistance.

La résistance du circuit est d'autant plus grande que sa longueur est plus grande et sa section plus faible. Elle dépend de la nature du conducteur : des colonnes d’eau pure ont une grande résistance et la décharge y est continue. Des fils métalliques gros et courts ont une très faible résistance, et alors la décharge change de nature : elle devient oscillante, c'est-à-dire que le courant électrique circule succes-

-sivement de l’armature À vers B ou de B vers A avec une période qui dépend de la constitution du ‘circuit.

5. Mise en évidence des oscillations. — Il existe plusieurs procédés pour mettre en évidence la différence qui existe entre les deux genres de décharge. On peut tout simplement déplacer rapi-

dement entre les branches de l’excitateur un mor-

: ceau de carton : si la décharge est continue, elle le perce suivant une fente allongée; si au contraire elle est oscillante, elle le perce suivant plusieurs trous séparés.

Mais la meilleure méthode consiste à utiliser un miroir tournant pour observer l’étincelle ou la photographier. À l'œil, elle se présente sous forme d’un trait de feu, à cause de la persistance des impressions sur la rétine ; mais, si on la photographie sur une plaque sensible mobile, ou si on projette son image sur une plaque sensible fixe au moyen d'un miroir tournant, il est possible d’en déceler toutes les particularités.

On utilise le fait que l'extrémité positive de la décharge est beaucoup plus brillante et impressionne plus fortement la plaque.

Si la décharge est continue et ne change pas de sens, on obtient pour l’image de l’extrémité positive un trait noir continu, pour l’image négative un trait moins accentué : on obtient donc une bande dtgradée. .

Si, au contraire, la décharge est oscillante, les impressions sont séparées entre elles, et, en outre, l'impression la plus forte se trouve alternativement à droite et à gauche.

6. Mesure de la période des oscillations. — Si le miroir tournant est entraîné par un moteur d’un mouvement uniforme, il est facile, d’après l’as-

pect des photographies, de conclure que les oscillations se reproduisent périodiquement d’une façon à peu près rigoureuse. On dit qu’elles sont synchrones. Les photographies d’étincelles sont, en effet, équidistantes sur la plaque. D'autre part, la période de ces oscillations dépend de la capacité du condensateur et de la constitution du circuit de décharge.

Pour un fil gros et court, rectiligne, et pour le même fil enroulé en spirale, la période diffère : elle dépend de ce qu’on appelle la selfinduction du circuit, différente suivant la forme de ce circuit de décharge.

On démontre que la période T de la décharge est donnée par la formule

TEL APCE

où C et L représentent la capacité et le coefficient de self-induction. Sans faire de calculs, on peut avoir une idée de la valeur de la période, par la méthode du miroir tournant, en mesurant la vitesse de rotation de ce miroir. Pour la décharge des bouteilles de Leyde ordinaires, elle est inférieure à 1/1.000.000° de seconde.

7. Phénomènes d'induction produits par les décharges. — De la rapidité des oscillations, il résulte que les variations d'intensité sont aussi extrémement rapides; c'est pourquoi elles sont capables de produire des phénomènes d’induction très intenses, comme on peut le montrer par des expériences classiques. La suivante est particulièrement démonstrative. Les deux armatures d’une bouteille de Leyde sont réunies par un circuit en forme de rectangle. Les boules de l’excitateur, en relation avec les armatures, sont chargées au moyen d’une bobine de Ruhmkorff. Toutes les fois que l’étincelle éclate entre les boules, le circuit rectangulaire est parcouru par le courant de décharge oscillante,

A côté de la première on place une deuxième bouteille identique dont les armatures sont réunies par un circuit rectangulaire parallèle au précédent. En outre, on établit entre les armatures un petit excitateur de décharge ; l’expérience montre que des étincelles y jaillissent et que, par conséquent, les oscil- Jlations électriques du premier circuit sont capables d'induire dans le second des courants tels qu'il s’établit entre les boules de l’excitateur une différence de potentiel suffisante pour la production d’étincelles.

Nous verrons, dans la suite, d’autres expériences, celles de Tesla (1), qui mettent encore ce fait en évidence.

8. Excitateur de Hertz. — On vient de voir que la période dépend de la capacité du condensateur. Hertz a eu l’idée de prendre un condensateur de très faible capacité formé par deux sphères en regard communiquant avec des tiges et des boules d’excitateur. Hertz a également construit son excitateur avec des plaques carrées de cuivre de 30 centimètres de côté. Ces plaques PP’ sont en relation avec les pôles d’une bobine d’induction (fig. 3). Au

Fig. 3.

moment où des interruptions se produisent au piimaire de la bobine, des étincelles jaillissent au secon- - daire dès que la différence de potentiel est devenue suffisante. Dès lors la résistance entre les deux armatures devient sensiblement nulle et le condensateur se décharge avec une période extrêmement vourte

(1) Voir chap. V.

de l’ordre de un billionième de seconde. On peut d'ailleurs changer à volonté cette période en modifiant la capacité du condensateur.

9. Étude des effets produits à l'extérieur du circuit de décharge. — Il est bien évident que, dans les conditions indiquées ci-dessus, les charges que prennent les armatures du condensateur sont extraordinairement faibles et si cet excitateur est capable de produire des courants induits, c’est surtout à cause de la rapidité avec laquelle la décharge varie. On peut montrer l'existence de ces courants induits dans des cercles de cuivre, coupés en un point, la longueur de la coupure pouvant être réglée au moyen d’une vis micrométrique pour obtenir la distance explosive convenable. Hertz avait pu observer de petites étincelles à la coupure, à plusieurs mètres de l’excitateur, et c’est encore ainsi que l’on répète dans les cours son expérience classique.

Mais ce n’est pas ‘en cela que réside l'importance de l’œuvre de Hertz. Elle repose dans ce fait que le célèbre physicien allemand a prouvé que tout l’espace qu environne l'excitateur est le siège. d'une perturbation électrique; il est modifié électriquement et, de plus, cette modification ne se produit pas instantanément, mais par ondes successives.

Autour de loscillateur, des vibrations électriques se propagent, comme les vibrations sonores se propagent dans les gaz, milieu pondérable, ou comme, ! d’après l'hypothèse de Fresnel, les vibrations lumineuses se propagent dans le milieu fictif auquel on a donné le nom d’éther. |

On peut se représenter, au moins d’une facon grossière, le mécanisme de cette propagation en la comparant à celle des ondes produites à la surface de l’eau par le choc répété périodiquement d’une pierre ou d’une tige, ou encore à celle des ébranlements périodiques le long d’une corde élastique.

40. Vitesse de propagation et longueur d'onde. — La vitesse avec laquelle les ondes se propagent a été mesurée à la Faculté de Nancy par M. Blondlot, qui l’a trouvée égale à 300.000 kilomètres par seconde.

On appelle longueur d’onde l’espace parcouru par la vibration pendant la durée d’une période T ou NT

V — 300 millions de mètres.

I ; à Dést de l’ordre de =, d’où } = 5 mètres.

Donc, dans un espace de quelques mètres comme la longueur d’un laboratoire, le dispositif de Hertz

permet d'obtenir une propagation de plusieurs lon- quéurs d'onde. Mais comment justifier l'hypothèse de cette propagation et mettre en évidence son caractère périodique ? Il faut pour cela prouver que l'on peut obtenir, avec les ondes électriques, des phénomènes analogues à ceux que nous offrent les ondes sonores et les ondes lumineuses, c’est-à-dire des phénomènes d’intlerférences.

414. Justification de l'hypothèse de la propagation d'une onde électrique. — Cherchons d’abord à nous expliquer comment on peut concevoir l’existence d’une onde électrique.

Soit AabB un excitateur de Hertz dont les plaques sont verticales et l’axe horizontal (fig. 4).

Dans le plan horizontal passant par ab figurons une droite XX’ perpendiculaire à ab et considérons un point M de cette droite. Pour un instant, SUpposons que toute action produite par l’excitateur au point M se propage de l’excitateur jusqu’en M d’une manière absolument instantanée. À une certaine époque b, l’excitateur est parcouru par un courant allant de gauche à droite pour l'observateur placé en M et regardant l’excitateur. Ce courant produit en M un champ électromagnétique, c’est-à-dire

qu'un petit pôle d’aimant, dont la quantité de magnélisme sera égale à l’unité, y sera soumis à une force que nous appellerons intensité du champ. Cette force est ici dirigée verticalement de haut en bas. S1 l’action se produit instantanément, le champ en M à l’époque { dépend de la valeur du courant à cette époque {. Comme le courant dans l’excitateur est variable et alternatif, le champ en M sera également

Fig. 4.

variable avec le temps. D'après ce qui précède, on conçoit donc qu’en chaque point de l’espace il y ait une action qui suive les oscillations du courant de décharge,

Mais, de plus, l’action de l’excitateur n’est pas instantanée, si bien que la valeur du champ en M à l’époque # dépend, non pas de la valeur du courant à cette époque, mais à un temps 4 auparavant, temps nécessaire à l’action pour se propager de l'excitateur jusqu’en M. La valeur du champ dépend donc de l'intensité du courant à l’époque £ — 9. Si d représente l'éloignement de M et V la vitesse de propagation, on a d’ailleurs d — V4. |

Eanvisageons quelques points particuliers sur XX’. D'abord M, tel que d — }. Il faut un temps égal à la période T pour que l’action attecigne M;. Pendant

ES ÉÉÉSSÉÉe ;

LES OSCILLATIONS ÉLECTRIQUES II ce temps T, le courant a repris la même valeur qu'au début ; à l’époque # il a la même valeur qu'à l’époque é — T; son effet au temps { à la distance à

est le même qu’à l'époque { — T.

Prenons maintenant un point M, à la distance

, l'effet magnétique correspond à la valeur du

champ un temps — auparavant, ou à l’époque { ——. 2 É BEA 2

Il diffère de l'effet au temps {. Si en M, le champ est dirigé vers le bas, en M, il sera dirigé vers le haut. Il résulte de ce qui précède que, à une même

tpoque, l'effet produit par l’excitateur est différent

suivant la distance. Deux points séparés par une dis-

points séparés par une distance } sont soumis à des effets de même sens.

D'autre part, il n’y a pas que le champ magnétique à envisager. Au moment où les boules ab sont chargées, l’une positivement, l’autre négativement, il existe un champ électrostatique, c’est-à-dire qu'une quantité d'électricité unité placée en M sera soumise à une force parallèle à l’axe de l’oscillateur :

et dirigée dans le sens de la flèche, de gauche à

droite. La force électrique est maximum quand les boules sont chargées, minimum quand les boules sont déchargées. La force magnétique est maximum avec le courant. Or, on peut se rendre compte par l’analogie hydrodynamique, où le courant est maximum dans le tuyau de communication quand les niveaux sont dans le même plan, que le courant électrique sera maximum au moment où les charges des deux sphères seront annulées. Comme le champ électromagnétique, le champ électrostatique se propage avec une vitesse finie et ce que l’on appelle onde hertzienne, c’est la propagation de l’ensemble de ces deux effets à travers l’espace avec la même vitesse.

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