CHAPITRE VI

EFFETS MÉCANIQUES DES COURANTS

ÉLECTROMAGNÉTISME.

1051. Orientation des aimants parles courants. — L'action que

les courants exercent sur les aimants se manifeste par trois sortes d'effets: 1° effets d'orientation ; 2° effets de rotation ; 3° effets d'attraction ou de répulsion. De plus, tous ces effets sont réciproques, c'est-à-dire que, de même que les courants agissent sur les aimants, réciproquement ceux-ci agissent sur les courants, pour les diriger, les faire tourner, les attirer ou les repousser. L'étude de ces actions et réactions entre les aimants et les courants est désignée par le nom d1 'électromagnétisme.

1052. Orientation des aimants par les courants. — 1° Expérience

crOErsted. — Règle d'Ampère. — L'action directrice des courants sur les aimants fut découverte en 1820 par Œrstedt, professeur de physique à Copenhague. C'est une des expériences fondamentales de l'électricité dynamique

Pour répéter l'expérience d'Œrsted, on tend horizontalement, dans la direction du méridien magnétique, un fil de cuivre audessus d'une aiguille aimantée mobile (fig. 985). Tant que le fil n'est point traversé par un courant, l'aiguille lui demeure parallèle ; mais aussitôt qu'on lance un courant dans le fil, Yaiguille

Fig. 983.

est déviée, et elle se rapproche d'autant plus de la direction perpendiculaire au courant que celui-ci est plus intense. Règle d'Ampère. — Quant au sens de la déviation, il dépend à la

fois de la direction du courant et de la position du fil par rapport à l'aiguille.

Ampère a réussi à comprendre et à prévoir tous les cas qui peuvent se présenter dans cet énoncé unique, appelé règle d'Ampère : Le pôle austral de V aimant mobile est toujours dévié vers la gauche du courant.

Il appelle gauche du courant, celle d'un observateur placé dans le fil qui réunit les deux pôles, de manière que, le courant entrant par les pieds et sortant par la tète, la face soit tournée vers l'aiguille (fig. 984).

1055. Orientation des courants par les aimants. — V action directrice des courants sur les aimants est réciproque. Dans l'expérience d'Œrsted (fig. 983), l'aiguille aimantée étant mobile, et le courant fixe, c'est l'aiguille qui se dirige et se met en croix avec le courant.

Si, au contraire, l'aimant est lixe et le courant mobile, c'est celui-ci qui se dirige et vient se mettre en croix avec l'aimant, le pôle austral occupa ni toujours la gauebe.

Pour le démontrer, on l'ait passer un courant dans un circuit mobile (tig. 1)85). Approchant alors un barreau aimanté, on voit le circuit tourner, et, après quelques oscillations, se mettre en croix avec le barreau.

1054. Rotation des aimants sous l'influence des courants. — Les

effets de rotation ont été démontrés par Faraday, à l'aide des expériences suivantes (fig. 986). 1° Au centre d'une large éprouvette remplie de mercure plonge un barreau aimanté A, de 20 centimètres de longueur environ, lesté à sa partie inférieure par un appendice de

EFFETS MECANIQUES DES COURANTS

platine, et s'élevant de quelques millimètres au-dessus du niveau du mercure. A la partie supérieure du barreau est une cavité contenant du mercure. Un courant, montant par la colonne m, ar-

Fig. 985.

rive au mercure et au barreau, d'où, rayonnant tout autour de celui-ci, il gagne une pièce annulaire de cuivre G, qui plonge

Fig. 986.

Fig. 987.

dans le mercure le long de la paroi de Téprouvette, gagne la colonne n et retourne à la pile. Dès que le courant passe, on voit le barreau tourner autour de son axe avec une vitesse croissante ganot. 79

qui dépend de son moment magnétique et de l'intensité du courant. Quant au sens de la rotation, il dépend de la direction du courant et de la nature du pôle qui flotte à la surface du mercure. Si c'est le pôle austral et que le courant soit descendant vers l'aimant, comme dans la figure 986, la rotation se fait dans le sens des aiguilles d'une montre. Elle a lieu en sens contraire si l'on renverse le sens du courant, ou si c'est le pôle boréal qui flotte à la surface.

2° Lorsqu'on dispose l'expérience comme dans la figure 987, le barreau ne tourne plus sur lui-même, mais autour de l'axe vertical passant par la tigeC.

Remarque. — Les figures 988 et 989, qui correspondent, la première

Fig. 988.

Fig. 989.

à l'expérience de la figure 986, la seconde à celle de la figure 987, représentent, à une plus grande échelle, en coupe horizontale, la surface du mercure et la direction des courants auxquels est due la rotation.

1055. Rotation des courants sous l'influence des aimants. —

L'action rotative des courants sur les aimants est réciproque. — On le vérifie par l'expérience suivante, due à Faraday.

Sur un pied à vis calantes est fixée une colonne de cuivre bD isolée par un contact d'ivoire, le long de laquelle s'élève plus ou moins un tube métallique entouré d'un faisceau aimanté AB (fig. 990). En haut de la colonne est un godet contenant du mercure dans lequel plonge une pointe d'acier. A celle-ci est fixé un circuit EF, de cuivre rouge, dont les bouts portent des pointes d'acier qui plongent dans un réservoir plein de mercure.

On fait arriver le courant d'une pile de 4 ou 5 couples de Bunsen à la borne b ; de là il monte dans la colonne D, redescend par les deux branches E, F, gagne le mercure par les pointes d'acier, et se rend par le support de cuivre à la borne a, d'où il revient à la pile. Or, si l'on élève alors le faisceau aimanté, comme le montre le dessin, le circuit mobile EF prend un mouvement de

EFFETS MÉGANIQUES DES GOURANTS.

rotation rapide dans un sens ou dans l'autre, suivant qu'il est soumis à l'action du pôle austral ou du pôle boréal de l'aimant.

1056. Effets de déplacement. — Ils consistent en attractions et en répulsion exercées par les courants sur les aimants. Ils ont été constatés et étudiés par Biot et Savart; Laplace a déduit de leurs expériences la loi élémentaire des actions électromagnétiques, et la formule de Laplace a été vérifiée par des expériences de Pouillet, puis par celles de Boisgiraud.

Expériences de Biot et Savart. — 1° Ils démontraient l'attraction ou la répulsion des aimants par les courants par l'expérience suivante. Une aiguille à tricoter, aimantée, était suspendue par l'une de ses extrémités à un lil très fin; dans le voisinage de l'aiguille on tendait un fil de cuivre horizontal : dès que le courant passait, on observait, suivant le sens, soit une attraction, soit une répulsion.

2° Après avoir constaté l'existence de cette force attractive, ils ont déterminé suivant quelle loi elle varie avec la distance. Pour cela, ils prenaient un aimant prismatique très court , suspendu à un fil de soie sans torsion et parfaitement libre d'osciller horizontalement, car il était rendu astatique au moyen d'un fort barreau aimanté, convenablement disposé dans le voisinage.

Un conducteur rectiligne vertical, de 10 pieds de long, était placé successivement à des distances variables du barreau. Dès qu'on lançait ce courant, l'aiguille était déviée conformément à la règle d'Ampère, elle se mettait à osciller comme un pendule géodésique qu'on aurait écarté de sa position d'équilibre. En appliquant la méthode des oscillations, ils évaluaient la force directrice dans chaque position. Ils trouvèrent ainsi que

L'action d'un courant vertical indéfini sur un pôle d'aimant varie en raison inverse de la simple distance.

1057. Loi élémentaire. — Formule de Laplace. — Laplace, en appliquant le calcul à ces lois, a trouvé que l'action

exercée par un élément de courant sur un pôle magnétique varie en raison inverse du carré de la distance et proportionnellement au sinus de l'angle que fait, avec la direction du courant, la ligne qui joint son centre au pôle magnétique. Cette force est appliquée à l'élément du courant, perpendiculairement au plan déterminé par l'élément et le pôle, et elle est dirigée conformément à la règle d'Ampère (fig. 991).

Fig. 990.

Fig. 991.

La loi élémentaire est exprimée par la formule

dans laquelle /"représente l'action élémentaire, I l'intensité du courant et <x sa longueur, ;.». la masse magnétique du pôle, r sa distance et u> l'angle de l'élément avec la ligne NO.

1058. Rotation électrodynamique et électromagnétique des liquides. — Dans les expériences d'électrodynamique décrites précédemment (1040 et 1042), la rotation s'obtient en faisant agir un courant fixe sur un courant linéaire mobile. Il en est de même dans la rotation électromagnétique de la figure 990. Or cette condition d'un circuit linéaire n'est pas nécessaire. On a déjà vu (fig. 986 et 987) le mouvement de rotation transmis à une masse magnétique plus ou moins considérable, et dès la découverte de l'électrodynamique on démontra que les liquides eux-mêmes, tels que le mercure et l'eau, peuvent tourner, comme des circuits métalliques, par faction des courants.

SOLÉNOÏDES.

1059. Solénoïdes et Cylindres électrodynamiques. — L'action directrice de la terre sur les courants, comparable à son action sur les aimants, nous a révélé une certaine analogie entre ceux-ci et ceux-là. Cette ressemblance est encore plus accusée par la comparaison des phénomènes électromagnétiques et des phénomènes électrodynamiques : on voit que les aimants subissent de la part des courants les mêmes effets de déplacement, d'orientation et de rotation que s'ils étaient eux-mêmes des courants, et réciproquement. La ressemblance des deux ordres de phénomènes est poussée jusqu'à l'identité dans les propriétés d'un appareil imaginé par Ampère sous le nom de solénoïde.

Le solénoïde proprement dit, tel que fa défini Ampère, n'est pas un appareil, mais une conception mathématique. En effet, Ampère appelle solénoïde un assemblage de courants fermés, infiniment petits, tous perpendiculaires à une même ligne qui passerait par leurs centres de gravité, et tous dirigés dans le même sens.

Le solénoïde le plus simple serait, par exemple, une série de courants circulaires infiniment petits, tous perpendiculaires à une même droite passant parleurs centres.

L'appareil répondant à cette définition n'est pas plus réalisable, ni plus susceptible d'être soumis à l'expérience, que ne l'est le pendule simple. Mais on construit, sous le nom impropre de sole-

SOLENOÏDES. 1253

noïde ou sous le nom mieux approprié de cylindre élcctrodynamiquc, un appareil qui est au solénoïde d'Ampère ce que le pendule composé est au pendule simple.

Il consiste en un système de courants hélicoïdaux, égaux et parallèles, formés d'un même fil de cuivre recouvert de soie et replié sur lui-même en hélice (fîg. 992); le fil est ensuite ramené suivant Taxe soit dans l'intérieur, soit à l'extérieur de l'hélice, de manière que le courant rectiligne BC soit exactement égal à la somme des projections des courants sinueux sur l'axe.

On démontre aisément, en s'appuyant sur la loi des courants sinueux, que ce système de courants hélicoïdaux est équivalent à

Fig. 992.

un système de courants circulaires augmenté d'un courant rectiligne de même sens. Les premiers sont des cercles, ayant même rayon que le cylindre directeur des spires et en nomhre égal à celui des spires ; le courant rectiligne a une longueur égale à la somme des pas de ces spirgs, c'est-à-dire à la longueur du cylindre directeur. Ce courant rectiligne étant détruit par la partie BG qui revient en sens inverse, il ne reste plus que le système de courants circulaires.

D'autre part, on démontre qu'un système de courants circulaires de rayon fini est équivalent à un faisceau de courants circulaires infiniment petits, tous parallèles et tous de même sens, disposés comme l'indique la figure 995. Par conséquent, un cylindre électrodynamique est équivalent à un faisceau de solénoïdes, de même qu'un pendule composé est équivalent à un faisceau de pendules simples. Les lois expérimentales qu'on trouvera avec les premiers s'appliqueront aux solénoïdes et en vérifieront la théorie mathématique.

1060. Action des courants sur les solénoïdes. — Les lois expérimentales relatives à l'action des courants rectilignes fixes sur les courants finis, rectangulaires ou circulaires (1039), s'appliquent évidemment à chacune des spires d'un cylindre électrodynamique. 11 en résulte qu'un courant rectiligne tend à diriger ces circuits parallèlement à lui-même.

On constate ce fait à l'aide d'un solénoïde construit de manière à pouvoir être suspendu sur l'appareil représenté dans la figure 993. Le solénoïde est

alors très mobile autour d'un axe vertical, et si l'on place en dessous, parallèlement à son axe, un fil rectiligne PQ, traversé par un courant qui passe en même temps dans les fils du solénoïde, on voit celui-ci tourner et se mettre en croix avec le courant. Dans cette position d'équilibre, ses spires se trouvent parallèles au courant fixe, et de plus, dans la partie inférieure de chacune d'elles, le courant est de même sens que dans le fil rectiligne (1039).

Si, au lieu de faire passer horizontalement un courant rectiligne au-dessous du solénoïde, on le fait passer verticalement sur le côté, on observe soit une attrac-

Fig. 993.

tion, soit une répulsion, suivant que, dans le fil vertical et dans la partie du solénoïde la plus voisine, les deux courants sont de même sens ou de sens contraires (1035).

1061. Action directrice de la terre sur les solénoïdes. — La terre agit sur les solénoïdes comme sur les courants fermés ou sur les aimants.

En effet, si l'on pose le solénoïde à suspension sur l'appareil de la figure 957, et qu'on le dirige d'abord hors du méridien magnétique, on observe que l'appareil se met en mouvement dès qu'on y lance un courant assez énergique, puis qu'il s'arrête dans une certaine position d'équilibre : il a alors une direction telle, que son axe est parallèle à l'aiguille de déclinaison. De plus, dans la partie inférieure de ses spires le courant est dirigé de l'est à l'ouest.

Le solénoïde se dirige donc sous l'influence du magnétisme terrestre comme une aiguille aimantée; on est donc fondé à nommer pôle austral, de même que dans les aimants, l'extrémité qui se dirige vers le nord, et pôle boréal celle qui se dirige vers le sud.

1062. Actions mutuelles des aimants et des solénoïdes. — On observe entre les solénoïdes et les aimants les mômes phénomènes d'attraction et de répulsion qu'entre les aimants.

En effet, si l'on présente à un solénoïde mobile, parcouru par un courant, l'un des pôles d'un fort barreau aimanté, il y a répulsion ou attraction, suivant que les pôles de l'aimant et du solénoïde mis en présence sont de même nom on de noms contraires. Réciproquement, le même phénomène a lieu si l'on

SOLÉNOÏDES.

présente à une aiguille aimantée mobile un solénoïde qu'on tient à la main, et parcouru par un courant.

1063. Actions mutuelles des solénoïdes. — Lorsqu'on fait agir l'un sur l'autre deux solénoïdes parcourus par un courant assez intense, l'un qu'on tient à la main, l'autre mobile autour d'un axe vertical (fig. 994), on observe, entre les extrémités de ces deux solénoïdes, des phénomènes d'attraction et de répulsion identiques avec ceux que présentent entre eux les pôles des aimants ; ces

Fi£. 994.

phénomènes peuvent se prévoir d'après la direction relative des courants dans les extrémités mises en présence (1033).

1064. Théorie d'Ampère sur le magnétisme. — L'ensemble de ces expériences prouve que les cylindres électrodynamiques, et par suite les solénoïdes, se comportent exactement comme des aimants, et paraissent constitués de la même manière. Ampère démontra en outre, par le calcul, que non seulement le sens des actions est le même, mais que leurs valeurs numériques sont identiques et sont représentées par la même formule élémentaire. Se fondant sur tous ces faits, Ampère imagina une théorie- du magnétisme qui fit rentrer tous les phénomènes magnétiques dans le domaine de l'électrodynamique.

Au lieu d'attribuer les phénomènes magnétiques à l'existence de deux fluides spéciaux, Ampère les attribua à des courants circulaires, préexistant autour de chaque particule des substances magnétiques. Quand ces substances ne sont pas aimantées, leurs courants particulaires sont enchevêtrés dans toutes les directions, et la résultante de leurs actions électrodynamiques est nulle ; mais sous l'influence d'un aimant ou d'un courant puissant ces cou-

rants s'orientent et prennent une certaine position d'équilibre, conformément aux lois de l' électrodynamique; non seulement alors ils sont orientés dans le même sens et dans des plans parallèles, mais leurs centres sont disposés en séries linéaires parallèles à l'axe du barreau qu'on aimante, en sorte que celui-ci devient un véritable faisceau de solénoïdes, dont l'ensemble agit comme un solénoïde unique.

La figure 995 représente, par une suite de petits cercles intérieurs, les courants

particulaires orientés dans les deux extrémités d'un aimant en fer à cheval. On voit aisément que, dans les parties continues, les courants sont de directions opposées et se neutralisent mais il n'en est plus ainsi à la surface : là les courants moléculaires en a, en b, en c, n'étant pas neutralisés par d'autres courants, et les points a, b, c... étant infiniment rapprochés, il en résulte une série d'éléments dynamiques de même sens, qui s'ajoutent pour donner un courant circulaire unique à la surface du barreau. Or, le même effet se produisant dans chaque section du barreau perpendiculaire à l'axe, tout se passe comme si le barreau était un solénoïde complet.

1065. Différence entre les solénoïdes et les aimants. — Entre les solénoïdes et les aimants il existe une différence : c'est que dans les premiers les pôles sont aux extrémités mêmes, tandis que dans les aimants ils sont, comme nous l'avons vu, à une certaine distance des extrémités, distance qui augmente avec le diamètre des barreaux.

Cette différence n'est pas une anomalie, mais une conséquence même de la théorie d'Ampère. En effet, en calculant la position des pôles d'un solénoïde unique, on trouve qu'ils doivent être placés rigoureusement à chaque extrémité Or un barreau aimanté n'est pas un solénoïde unique, mais un faisceau de solénoïdes parallèles. Ces solénoïdes élémentaires sont rectilignes dans la partie centrale du barreau, tandis que près de la surface ils sont repoussés par ceux du centre, surtout à leurs pôles, et ils se courbent en présentant leur convexité vers l'axe du barreau. Leurs pôles se rapprochent ainsi de la section médiane de l'aimant, et il en est de même des pôles de l'aimant, qui ne sont autre chose que les points d'application de la résultante des forces appliquées à tous les pôles des solénoïdes élémentaires.

1066. Direction des courants d'Ampère dans les aimants. — Il

est possible de reconnaître dans quel sens sont dirigés les courants d'Ampère dans les aimants. Considérons, en effet, un solénoïde mobile, parcouru par un courant (fig. 993). Lorsqu'il s'est placé en équilibre dans le méridien magnétique, son pôle austral

Fig. 995.

SOLENOÏDES. 1257

A était dirigé vers le nord. D'après l'action directrice que la terre exerce sur les courants fermés (1046), le courant, dans la partie inférieure de chaque spire, est dirigé de l'est à l'ouest, ou, ce qui revient au même, de gauche à droite pour l'observateur qui, placé dans le prolongement de l'axe du solénoïde, en regarde le pôle austral. Si l'on regarde le pôle boréal, c'est l'inverse qui a lieu : le courant, dans la partie inférieure de chaque spire, est alors dirigé de droite à gauche.

Par conséquent, si Von se place en face du pôle sud ou boréal d'un aimant, les courants d'Ampère paraissent dirigés dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre, et en sens contraire si Von se place en face du pôle austral.

1067, Courant terrestre. — Le magnétisme terrestre, comme celui des aimants, peut être expliqué par des courants. Ampère a admis l'existence de courants électriques circulant autour de notre globe, de l'est à l'ouest, perpendiculairement, en chaque lieu, au méridien magnétique. Ces courants, en ajoutant leurs effets, équivalent à un courant résultant unique qui serait dirigé de l'est à l'ouest et parcourrait l'équateur magnétique. Quant à leur origine, ce seraient des courants thermo-électriques dus aux variations de température qui résultent de l'action successive du soleil sur les différents points de la surface du globe par suite du mouvement diurne.

Ce sont ces courants qui dirigent les aiguilles des boussoles et les solénoïdes, et qui agissent sur les courants horizontaux et verticaux, comme on l'a vu plus haut (1016 et 1047). L'hypothèse du courant terrestre est parfaitement conforme aux lois expérimentales de l'action de la terre sur les courants (1045).

APPLICATION DE L ELECTROMAGNETISME.