IV. Les machines électro-magnétique

Il est très-facile d'obtenir du travail mécanique à l'aide du courant voltaïque, par l'intermédiaire des électro-aimants. Supposons que l'armature de fer d'un électro-aimant soit liée à un axe par un organe de transmission, et qu'en oscillant elle fasse tourner cet axe; pour la faire osciller par l'électricité, il faut la disposer devant les pôles de l'électro-aimant, et faire passer le courant lorsqu'elle se trouve éloignée; elle est alors attirée. Au moment où l'armature va être le plus près possible de l'électro-aimant, il faut supprimer le courant; la vitesse acquise ramène l'armature à sa première position. En continuant à faire passer et à supprimer alternativement le courant aux instants convenables, on obtiendra loscillation de Tarmature

et par suite la rotation de l'axe. Cet axe porte une roue massive, appelée volant, pour régulariser le mouvement, et on transmet le mouvement aux outils à l'aide de courroies, comme avec une machine à vapeur : l'armature joue simplement le rôle du piston moteur.

Une pièce indispensable dans une telle machine, qu'on appelle électro-magnétique^ est l'interrupteur, destiné à fermer et ouvrir alternativement le circuit voltaïque, afin que le courant soit lancé dans l'électro-aimant et arrêté aux instants convenables.

C'est en 1859, à Saint-Pétersbourg, que les premières tentatives furent couronnées d'un véritable succès. Une machine électro-magnétique, inventée par M. Jacobi, fut établie sur un bateau à aubes, et lui lit remonter la Neva avec douze personnes. Depuis cette époque on a imaginé un nombre considérable de machines de ce genre, et les dispositions les plus ingénieuses ont été mises en usage. Bien qu'il n'entre pas dans notre sujet de traiter les applications de l'électricité, nous ne pouvons passer sous silence les résultats pratiques auxquels on est arrivé. Il est très-intéressant de voir si les espérances que beaucoup de personnes fondent sur l'emploi des moteurs électro-magnétiques sont légitimes.

Nous savons déjà comment le travail est obtenu avec une machine à vapeur. La combustion du charbon dans le foyer met en liberté une quantité déterminée d'énergie sous forme de chaleur. Une

portion de cette énergie est convertie en travail par l'intermédiaire de la vapeur ; le reste est simplement transporté aux corps environnants par rayonnement et conductibilité. Comme résultat pratique, on obtient 270,000 kilogrammètres en une heure, en dépensant 2 kilogrammes environ de charbon; c'est le travail d'un cheval-vapeur. Le prix de ce travail est environ de 10 centimes.

Considérons maintenant une machine électro* magnétique. La dissolution du zinc dans la pile est une combinaison chimique, analogue à une combustion ; elle met en liberté une quantité déterminée d'énergie sous forme de chaleur. Une portion de cette énergie est convertie en travail par l'intermédiaire du courant; le reste est distribué dans tout le circuit voltaïque sous forme de chaleur, et se dissipe ensuite dans les corps environnants. La meilleure machine sera celle dans laquelle la proportion d'énergie transformée en travail sera la plus grande, et par conséquent celle qui consommera la moindre quantité de zinc pour produire une quantité donnée de travail. Or, d'après les expériences que M. E. Becquerel a faites sur les machines de l'Exposition universelle de 1855, la meilleure machine électro-magnétique doit consommer 2'',2 de zinc pour produire 270,000 kilogrammètres par heure. Le prix de ce travail est de 1 fr. 50 environ, c'est-à-dire 15 fois plus grand que celui du même travail obtenu avec la machine à vapeur. Cette considération ferail

LE MAGNÉTISME ET L'ÊLEGTRO-MÂGNÉTISME 9.19

rejeter immédiatement les machines électro-magnétiques au point de vue industriel.

Mais il faut remarquer que ces machines sont plutôt destinées à de petits travaux intermittents, qu'alors leur puissance est bien inférieure à celle d'un cheval-vapeur. Une machine à vapeur de même puissance pourrait dans ces conditions être' beaucoup moins avantageuse. Elle exige une surveillance continuelle; elle ne se prête pas aux intermittences du travail ; elle peut faire explosion ; enfin le travail qu'elle produit xoûte seulement 5 fois moins que celui de la machine électro-magnétique : celle-ci est donc dans certains cas préférable.

Il est intéressant de comparer sous un autre point de vue les deux sortes de moteurs. Quelle est dans l'un et Taulre la proportion d'énergie convertie en travail?

2 kilogrammes de charbon dégagent en brûlant 15,000 oalories; 270,000 kilogrammètres représentent la même quantité d'énergie que 655 calories. Cette quantité n est que -~ de la première. C'est ce qu'on appelle le coefficient économique réel de la machine à vapeur.

2'',2 de zinc dégagent dans leur combinaison chimique avec l'oxygène de l'eau et l'acide sulfurique 12,276 calories. Sur cette quantité d'énergie, 635 calories sont transformées en travail par la machine électro-magnétique, c'est j^ de l'énergie totale.

L*énergie n'est donc pas beaucoup mieux utilisée dans les machines électro-magnétiques que dans les machines à vapeur. Dans les unes et les autres, la plus grande partie de l'énergie dépensée est dissipée sous forme de chaleur.

Y. Les courants magnéto-électriques.

La théorie d'Ampère est encore conforme aux phénomènes d'induction par les aimants que Faraday a découverts. Considérez un aimant et un conducteur placé dans son voisinage. Si ce dernier est traversé par un courant, il y a une action mutuelle, qui tend à changer les positions relatives de l'aimant et du conducteur. Ainsi la roue de Barlow nous a montré un conducteur mis en mouvemenl par l'action d'un aimant ; supprimez la pile qui produisait le courant et remplacez-la par un galvanomètre ; puis opérez à la main la rotation de la roue dans le même sens que précédemment; vous observerez au galvanomètre un courant continu de, sens contraire à celui que produisait la pile.

En général, à toute expérience relative à l'action mutuelle d'un aimant et d'un circuit vollaïque correspond une expérience d'induction, et le courant induit dure autant de temps que le mouvement imprimé à l'un ou l'autre. Telle est l'extension de la loi de Lenz, dont nous avons déjà parlé dans le chapitre précédent.

LE HAGNËTISNE ET L'ÊLECTRO-HAGNËTISUE 211

Les phénomènes d'induction sont beaucoup plus faciles à produire avec une grande intensité par les aimants que par les courants voltaîques seuls. Aussi trouvons-nous une nouvelle application des électroaimants; c'est la génération de la lumière électrique à l'aide du travail mécanique.

Fig. SD. — Principe des

mggoéki-diaaaiiqut».

Prenons un électro-aimant en fera cheval (fig. 50), et adaptons aux extrémités du fil conducteur qui l'enveloppe deux baguettes de charbon, terminées en pointes. Approchons rapidement les faces polaires de cet électro-aimant des pôles d'un puissant aimant fixe ; un courant électrique va parcourir le circuit formé par le fil et les charbons, rougir leurs

pointes et donner entre elles un point lumineux. Éloignons Pélectro-aimant, un courant de sens contraire au précédent sera engendré et donnera encore un point lumineux entre les pointes de charbon. Renouvelons rapidement le rapprochement et Téloignement ; nous engendrerons une suite de courants alternativement de sens contraires, une suite de points lumineux qui se succéderont sans intermittence apparente ; nous aurons b lumière électrique, mais nous dépenserons en même temps du travail mécanique pour entretenir le mouvement de l'électro-aimant, et il y a évidemment une relation déterminée entre l'intensité de notre lumière et la grandeur du travail dépensé.

En réalité, le mouvement détermine dans le novau de fer de Télectro-aimant des alternatives d'aimantation et de désaimantation. Ces modifications de l'aimant déterminent à leur tour les courants induits dans le fil conducteur. Enfin ces courants donnent lieu à de la chaleur qui se distribue dans toutes les parties du circuit, et dont une portion seulement apparaît aux pointes de charbon sous forme de lumière. C'est ainsi que le travail dépensé se trouve finalement converti en chaleur, et qu'ici, comme dans tous les exemples déjà cités, la force électrique sert à transformer l'énergie.

Il est maintenant facile de comprendre une machine magnéto-dynamique, telle que celle de Nol-

LE HAGKtIlSHE ET L'ËLECTRO-HAGHÉTISHE 233

t, aujourd'hui construite par une compagnie Alliance) y pour les phares.

Plusieurs aimants puissants sont ajustés, à des tervalles égaux, sur une couronne circulaire fixe g. 51 ) ; le plan moyen de chacun d'eux est dirigé livant un rayon, et les pôles sont tournés vers le intre. Des électro-aimants en nombre égal sont ustés semblablement sur une seconde couronne rculaire, concentrique, et mobile autour du între. Les pôles de ces électro-aimants sont tourfes vers la couronne fixe, et viennent passer devant îs pôles des aimants, lorsqu'on fait tourner la Duronne mobile. Le fil de chaque électro-aimant st mis en communication avec les rhéophores qui boutissent aux charbons à Taide d'un pièce partiulière portée par Taxe de rotation, de sorte que 3S courants induits vont tous passer par les charions. Enfin la couronne mobile est mise en mouement par une machine à vapeur.

Considérons un des électro-aimants en mouvenent. Quand il s'approche d'un des aimants lîxes, m courant est excité dans son fil ; lorsqu'il s'en doigne, un second courant de sens contraire succède au premier. Mais l'électro- aimant se rapproche bientôt de l'aimant fixe qui suit; alors est îxcité un troisième courant de même sens que le )remier et ainsi de suite.

Tous les électro-aimants se comportent simultaîément de la même manière ; on peut donc réunir ous leurs fils en un fil unique enroulé successive-

ment autour de tous les noyaux de fer, et dont les extrémités aboutissait à l'axe métallique de rotition et à une virole de métal fixée sur col axe par l'intermédiaire d'une virole isolante. Deux res3(vb s'appuient respectivement sur l'axe et sur la virofe et communiquent avec les rhéophores.

On conçoit que les aimants fixes de la maahîK de NoUet puissent eux-mêmes être remplacés fil des électro-aimants; alors il faudra une pile fi$t engendrer un courant capable de maintenir ^ mantes ces électro-aimants. On aura toujours VM transformation de travail en chaleur par l'inlenn^' diaire du magnétisme et de l'éleclriciti- ; mais Vat)h\ ploi de la pile présentera une seconde transfonû^J tion, celle de l'énergie moléculaire opérée dans tout le circuit de cette pile. Or f transformation est inutile, lorsqu'on a besoin a lemcnt de conserver le magnétisme: il est I plus naturel de transformer les noyaux de for 4 acier et de les aimanter une fois pour toutes, i qu'on sait que l'acier conserve de lui-même leil gnélisme. L'emploi des électro-aimants dans i machine est donc vicieux.

Voici un procédé très-ingénieux qui permet àSà ployer les électro-aimants; l'idée eu M. Wheatstonc, et il a été réalisé récetnm« M. Laddà Londres. Un modèle de celle nouvol chine donnant ahondimiment la lumière été fonctionnait à l'Exposition universelle de II Aujourd'hui M. Rulimkorff construit ji Paris di

Li NAUNËTISIIE ET L'ÉLECTRO-U.VG.NËTtSHE 3S1

LE MAGNÉTISME £T L'ËLEGTRO-MâGNËTISME 229

machines de ce système destinées à renseignement. Les extrémités polaires d'un électro-aimant en fer à cheval A (fig. 52) sont façonnées de manière qu'elles laissent entre elles un espace cylindrique B. Dans cet espace se trouve une pièce que Ton voit séparée dans la figure 55. Elle se compose de deux électro-aimants de M. Siemens qui sont juxtaposés bout à bout, dans deux positions perpendiculaires. Chacun d'eux est formé par un noyau de fer dont les surfaces polaires sont sur un cylindre de même diamètre que Fespace cylindrique B, et sur lequel le

Fig. 53. — Bobine de Siemens.

fil conducteur isolé est enroulé parallèlement à Taxe. Lorsque ce double électro-aimant est placé dans l'espace cylindrique B, on peut le faire tourner autour de son axe à l'aide d'un moteur quelconque, par exemple avec la main, en se servant d'une manivelle et d'une courroie de transmission. Pendant la rotation les surfaces polaires des électro-aimants mobiles s'approchent el s'éloignent alternai ivement des pôles de Télectro-aimant fixe A, de sorte que les courants induits peuvent se développer, si ce dernier est aimanté.

Or voici le trait caractéristique de cette invention. Supposons que le noyau de fer A soit (a\ble\?sv^w\. ^v

mante, et que le fil de Tun des électro-aimants mobiles D- soit mis en communication avec le fil de l'éieclro-aimant fixe A, à l'aide d une pièce particulière situéeau bout de l'axe de rotation, qu'on appelle commutateur. Dès qu'on fera tourner la machine, de faibles courants induits seront engendrés dans le fil de r électro-aimant D et lancés dans une direction constante à travers le fil de l'électro-aimant A. Le fer de celui-ci acquerra donc une plus grande puisssance magnétique. Mais il agira plus énergiquement sur l'électro-aimant D, et par conséquent les courants qui y sont induits augmentant d'intensité, ils accroîtront de nouveau le magnétisme de Télectro-aimant A, et aiosi de suite:

Les deux électro-aîmànts A et D se renforcent ainsi mutuellement et atteignent au bout d'un temps très-court une puissance qu'ils conservent tant que le mouvement de rotation est entretenu, et qui augmente avec la rapidité de ce mouvement, au moins jusqu'à une certaine limite.

Maintenant que nous savons comment le travail dépensé est employé à produire Taimantation, il est aisé de comprendre comment le second électro-aimant mobile C sert à produire le courant et la lumière électrique. 11 suffit que les extrémités deson fil aboutissent à une pièce analogue à celle de la machine de Nollet, qui les fasse communiquer avec les rhéophores, et les phénomènes déjà décrits se reproduisent avec une intensité remarquable.

En disposant dans le circuit de l'électro-aimant C

LE MAGNÉTISME ET L'ÉLEGTRO-MÂGNÈTISME ^51

un Yoltamèlre, on décompose très-aisément l'eau; en interposantjun fil de platine de | de millimètre de diamètre, et de 30 centimètres de longueur, on le voit rougir dès que la machine est en mouvement.

Le fer de l'éleclro-aimant A n'étant pas tout à fait pur conserve toujours un peu de magnétisme, de sorte qu'on n'a pas besoin de lui en donner, pour amorcer en quelque sorte la machine, quand on veut s'en servir. La figure 52 représente un circuit formé par la bobine qui tourne dans la cavité B, un fil fin de platine E, et deux baguettes de charbon très-minces F qui sont maintenues appliquées Tune contre l'autre par un ressorl. Quand on fait tourner les bobines mobiles, le fil est rougi et les baguettes de charbon donnent une lumière éblouissante.

La machine de Ladd offre une analogie frappante avec la machine de floltz. Une première et trèsfaible excitation magnétique dans l'une, électrique dans l'autre, ayant été donnée à l'une des pièces de l'appareil, une quantité indéfinie de travail mécanique peut être ensuite convertie en énergie de forme quelconque, par l'intermédiaire de courants i'iectriques.

Les opérations qui s'effectuent dans les diverses parties de ces appareils ont donc un caractère commun. Ce sont de simples actes, qui par euxmêmes sont incapables de produire ou de dépenser de l'énergie ; mais qui accompagnent les transformations d'énergie dont nous observons les résultats.

Les mots polarité électrique^ polarité maqtiélxcfae

J3S LES FOHCBS PHÏSIQOBS

désignenl de tels actes, et quoique nous ne puissions, dans l'état actuel de la science, nous r^résenter exactement le déplacement moléculaire qai leur correspond, leur emploi dans cette acception

bien définie est de la plus grande utilité pour l'explication des phénomènes.

Les phénomènes de l'induction se produisent (oujours dans un corps conducteur, lorsqu'il se mwl dansle voisinage <\'un dTOùVN(A.^%vi^e ou d'un ai-

mant. Ils sont plus ou moins accessibles à Tobseryation immédiate, suivant la forme du corps ; mais ils se manifestent par la chaleur que les courants induits développent dans le corps, et qui peut être très-appréciable.

Nous devons à Foucault, dont la science déplore la perte prématurée, une belle expérience, dans laquelle on réalise la conversion du travail en chaleur, par rintermédiaire du magnétisme et de l'induction .

On donne aux pôles d'un électro-aimant une forme telle qu'on puisse faire tourner entre eux un disque de cuivre (fig. 54) . Le disque étant mis en mouvement à l'aide d'un système de roues dentées, le travail qui a été dépensé pour produire le mouvement est représenté par la force vive du disque. Dès qu'on fait passer un courant voltaïque dans le fil de l'électro-aimant, le noyau de fer acquiert du magnétisme, des courants sont induits dans le disque mobile, et ils engendrent de la chaleur. En même temps Faction mutuelle des pôles de l'aimant et du disque détruit sa vitesse, et on le voit s'arrêter brusquement. La chaleur créée par l'arrêt du disque équivaut à la force vive qu'il perd, et, par conséquent, au travail primitivement dépensé.

Si Ton agit sur la manivelle pour continuer le mouvement de rotation, on éprouve une résistance, comme si le disque était plongé dans un liquide visqueux ; mais la chaleur apparaît d'une manière continue, et elle élève graduellement la lewvçfet^-

ture du disque ; on peut lui faire atteindre aiséra la température de fusion de la cire. L'énergie i veloppée par le bras de Popérateur est cmapli ment transformée en chaleur.

Aucun de ces effets ne se produit si l'^eet aimant est à l'état naturel. ^ ■'