CHAPITRE XIIT

INSTRUMENTS ÉLECTROSTATIQUES.

Instruments électrostatiques.

Les instruments que nous avons à considérer pour le moment peuvent être classés comme il suit :

1° Machines électriques, servant à produire ou à accroître l'électrisation ;

2° Multiplicateurs, servant à accroître l’électrisation dans un rapport donné;

3 Électromètres, servant à mesurer les potentiels et les charges électriques ;

4° Accumulateurs, servant à fixer des charges électriques considérables.

Machines électriques.

207. Dans la machine ordinaire, un plateau ou un cylindre de verre tourne en frottant contre une surface de cuir, sur laquelle on a étalé un amalgame de zinc et de mercure. La surface du verre s’électrise positivement, celle du frotteur négativement. En s’éloignant de l’électricité négative du frotteur, la surface électrisée du verre prend un potentiel positif élevé. Elle arrive alors en face d’une série de pointes métalliques aiguës reliées au conducteur de la machine. L'électricité positive du verre induit sur les pointes une électrisation négative d'autant plus intense que les pointes sont plus aiguës et plus rapprochées du verre.

Lorsque la machine fonctionne bien, il y a une décharge à travers l'air entre le verre et les pointes, et le verre perd une partie de sa charge positive qui passe aux pointes, et ainsi au conducteur principal de la machine, lequel est isolé, et de là à tout autre corps mis en communication électrique avec ce conducteur.

La partie du verre qui avance vers le frotteur a ainsi une charge positive plus faible que la charge qui s'éloigne du frotteur à ce même moment; et, par suile, les frotteurs et les conducteurs qui lui sont reliés s'électrisent négativement.

La surface de verre fortement positive qui s'éloigne du frotteur est attirée par la charge négative du frotteur avec plus d'énergie que la surface en partie déchargée qui approche. Les forces électriques agissent donc comme résistances aux forces employées à tourner la machine. Le travail dépensé à tourner cette machine est donc plus grand que le travail dépensé pour vaincre le frottement et les autres résistances ordinaires; l'excès de ce travail sert à produire un état d’électrisation dont l'énergie est équivalente à cet excès.

Le travail dépensé à vaincre le frottement se transforme immédiatement en chaleur dans les corps frottés. L'énergie électrique peut aussi se transformer en énergie mécanique ou en chaleur.

Si la machine ne produit pas d'énergie mécanique, toute l'énergie se transforme en chaleur, et la seule différence entre la chaleur due au frottement et celle qui est due à l’action électrique est que la première se produit sur les surfaces frottantes et que la seconde peut ètre produite dans des conducteurs éloignés (1).

Nous avons vu que la charge électrique de la surface de verre est attirée par le frotteur. Si cette attraction devenait suffisamment intense, il y aurait décharge entre le verre et le frotteur, et non entre le verre et les pointes du collecteur. Pour empêcher qu'il n’en soit ainsi, on attache au frotteur des secteurs de soie qui s’électrisent négalivement et se collent au verre, diminuant ainsi son potentiel aux environs du frotteur.

Le potentiel augmente donc d’une manière plus graduelle, quand le verre s'éloigne du frotteur, et, par suite, il ÿ a en chaque point une attraction moindre de la charge du verre au frotteur ; donc moindre danger d’une décharge directe au frotteur.

Dans quelques machines la partie mobile est en ébonite au lieu de verre, et les frotteurs en bois ou en fourrure. Alors c’est le frotteur qui est électrisé positivement, et le conducteur principal qui est négatif.

L'électrophore de Volta.

208. L’électrophore consiste en un plateau de résine ou d'ébonite

(‘) Il est probable que dans bien des cas où l'énergie dynamique se transforme en chaleur par le frottement, une partie de l'énergie se transforme d’abord en énergic électrique, et ensuite en chaleur, l'énergie électrique se dépensant à en tretenir des courants cn court circuit, près des surfaces frottantes. [ Foir Sir W. Tuousox, Sur les proprieles electrodynamiques des métaux [ Phil. Trans., p. 630; 1856) ].

L'ÉLECTROPNORE DE YOLTA. 379

garni au dos d’un revêlement de métal et en une plaque de métal de même grandeur. Un manche isolant peut être vissé au dos de l’un ou de l’autre de ces plateaux. Le plateau d'ébonite est traversé par une goupille de métal qui fait communiquer son revètement métallique avec Île plateau de métal, lorsque les deux plateaux sont en contact.

On électrise négativement le plateau d’ébonite en le frottant avec de la laine ou une peau de chat; puis on approche le plateau métallique de l’ébonite, en le tenant par son manche isolant. Il ne passe point de décharge directe de l'ébonite au métal; mais le potentiel de celui-ci est rendu négatif par induction, et, lorsqu'il est arrivé à une certaine distance de la goupille métallique, une étincelle éclate : si alors on éloigne le plateau métallique, on lui trouve une charge positive qui peut être transmise à un autre conducteur. Le revètement métallique du plateau d’ébonite a une charge négative égale et contraire à celle du plateau métallique.

Si l'on emploie cet instrument pour charger un condensateur ou un accumulateur, un des plateaux est placé sur un conducteur communiquant à la terre; l'autre plateau est alors appliqué sur le premier, puis sur l’électrode du condensateur, de nouveau sur le premier plateau et ainsi de suite. Si c’est le plateau d’ébonite qui est fixe, le condensateur est chargé positivement; si c’est le plateau métallique, le condensateur est chargé négativement.

Le travail effectué par la main, qui sépare les plateaux, est toujours plus grand que le travail de l'attraction électrique pendant que les plateaux s’approchent : l'opération qui consiste à charger le condensateur comporte donc une dépense de travail. Une partie de ce travail se retrouve dans l'énergie du condensateur chargé; une autre, dans la chaleur et le bruit de l’étincelle ; le reste est employé à vaincre les autres résistances qui s'opposent au mouvement.

Des machines qui produisent de l'électricité au moyen de travail mécanique.

209. Dans les machines électriques à frottement ordinaires, on dépense bien plus de travail à vaincre le frottement qu’à augmenter la charge. Aussi toute disposition dans laquelle l’électrisation est produite uniquement en dépensant du travail mécanique contre les forces électriques aura, sinon une valeur pratique, du moins une grande importance scientifique. La première machine de ce genre paraît avoir été le duplicateur tournant de Nicholson, qui est décrit dans les Phclosophical

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Voute +3 charte pélative au récepteur B.

Brevet ou 7 anti oise un Se.

Ensuite le véhicule entre dans l’inducteur C que nous supposerons chargé négativement. Pendant qu'il s’y trouve, C est mis à la terre et prend, par suite, une charge positive qu'il emporte et cède au récepteur D, et ainsi de suite.

De cette manière, si le potentiel des inducteurs reste toujours constant, les récepteurs B et D recoivent à chaque révolution du véhicule des charges successives égales; chaque révolution augmente done d'une quantité égale la charge des récepteurs.

Mais, si l'on met en communication l’inducteur A et le récepteur D, l'inducteur GC et le récepteur B, les potentiels des inducteurs croissent constamment, et la quantité d'électricité cédée aux récepteurs à chaque révolution croît constamment.

Soient, par exemple, U le potentiel de A et D, V celui de B et C; le potentiel du véhicule est zéro quand il est à l’intérieur de À, puisqu'il communique à la terre; sa charge est donc 5 =— QU. Le véhicule entre dans B avec cette charge, et la lui cède. Si B est la capacité de B

. , y Q et C, leur potentiel passera de V à V —- B U.

Si, en mème temps, l’autre véhicule a porté une charge — Q'V de

. d , de C en D, le potentiel de À et D passera de U à U — |: V, Q’ étant le coefficient d'induction entre le véhicule et C, et A la capacité de A

et D. Si done LU, et V, sont les potentiels des deux inducteurs après n demi-révolutions, L,+, et V,,, leurs potentiels après #2 --1 demi-

révolutions, Us T7 U, ° ; Vas | Q Var — \h : B U,.

.. (8) O Si nous posons B = p? et \ :q?, nous trouvons

Pneu QVasi --pUn--qVn)U -pq) = (PUo gVo)(---pgr'i. PUn-i- GVnr = (PU —qVh)Q--pq) :(PÜ—gVo)(i--pqr't.

d'où Un Uolti—pgr-- (1. pg"]+ 2 Velo -pg— tu - pq 1. d ? . Va li pq} -G=pq}]i VMli--pqr-(i+ pq].

Un voit par ces équations que la quantité pU -+ qV décroit conslamment, et, par suite, quel que soit l'état d'électrisation initial, les

récepteurs finissent par avoir des charges opposées telles que les potentiels de À et B soient dans le rapport de p à — gq.

D'autre part, la quantité pÜ — 4 V croît constamment; par suite, si faible que soit à l'origine la quantité dont pU est supérieur ou inférieur à g V, cette différence croit en progression géométrique à chaque révolution jusqu'à ce que la force électromotrice devienne assez grande pour triompher de l'isolement de l'appareil.

On peut employer à divers usages des instruments de cette nature :

A fournir en abondance de l'électricité à un haut potentiel; c'est ce que faisait la grande machine de M. Varley;

A régler la charge d’un condensateur; c’est le cas dans l'électromètre de Thomson, dont la charge peut ètre augmentée ou diminuée en quelques tours d’une très petite machine de ce genre, que l'on appelle pour cette raison le Æeplenisher :

A multiplier de petites différences de potentiel. Les inducteurs peuvent être chargés d'abord à un potentiel extrêmement faible, celui, par exemple, d'un couple thermo-électrique; ensuite, en tournant la machine, on multiplie cette différence de potentiels d’une manière continue, jusqu’à ce qu'elle puisse ètre mesurée avec un électromètre ordinaire. Si l’on a déterminé par expérience dans quel rapport croit cette différence à chaque tour de la machine, la force électromotrice primitive qui a chargè les inducteurs peut se déduire du nombre de tours faits et de l’électrisation finale.

Dans la plupart de ces instruments, les véhicules tournent autour d'un axe, et viennent ainsi se placer dans la position convenable. Les communications s’élablissent par le moyen de ressorts placés de façon à toucher les véhicules au moment voulu.

211. Mais Sir W. Thomson (!) a construit une machine destinée à multiplier les charges électriques, dans laquelle les véhicules sont des gouttes tombant de l'intérieur de linducteur dans un récepteur isolé. Le récepteur recoit ainsi uu afflux continu d'électricité de signe contraire à celle de l'inducteur. Si l'inducteur est électrisé positivement, le récepteur recoit une charge constamment croissante d'électricité négative.

L'eau s'échappe du récepteur par un entonnoir dont le bec est presque entièrement entouré par le métal du récepteur. Les souttes tombent donc de ce bec, presque entièrement déchargées d'électricité. Un autre inducteur et un autre récepteur de construction semblable

(') Proc. A. S., 20 juin 186.

sont disposés de façon que l'inducteur d'un système soit relié au récepteur de l'autre. La charge des récepteurs cesse alors d'augmenter d'une façon constante, mais croît en progression géométrique avec le temps; les charges des deux récepteurs sont de signes contraires. Les charges continuent ainsi de croître, jusqu’à ce que, pendant leur chute, les gouttes soient assez écartées de leur direction par l’action électrique, pour tomber en dehors du récepteur, ou même aller frapper l'inducteur.

Dans cet instrument, l'énergie de la charge est empruntée à l'éneruie des gouttes qui tombent.

212. Diverses autres machines ont été construites, dans lesquelles on fait usage du principe de l'induction électrique. La plus remarquable d'entre elles est la machine de Holtz, où le véhicule est un plateau de verre verni à la gomme laque, et où les inducteurs sont des morceaux de carton. On empêche les étincelles de passer entre les parties de l'appareil, en plaçant deux plateaux de verre de part et d'autre du plateau tournant qui constitue le véhicule. Cette machine est très puissante, et fort peu sensible à l’état de l’atmosphère. Le principe est le mème que celui du duplicateur tournant et des autres instruments déduits de cette même idée; mais, comme le véhicule est un plateau isolant, et les inducteurs des conducteurs imparfaits, l'explication complète du jeu de la machine est plus difficile que dans le cas où les véhicules sont des corps conducteurs qui se chargent et se déchargent en des points déterminés.

213. Dans les machines électriques, précédemment décrites, il se produit des étincelles toutes les fois que le véhicule vient en contact avec un conducteur qui est à un potentiel différent du sien ( /ig. 18).

Or nous avons montré que, toutes les fois qu’il en est ainsi, ilya perte d'énergie; par suite tout le travail employé à tourner la machine n'est pas transformé en électricité sous forme utile, mais une partie se dépense à produire la chaleur et le bruit des étincelles électriques.

Aussi ma-t-il paru désirable de faire voir comment on pourrait construire une machine électrique exempte de cette perte dans son rendement. Je ne la présente pas comme forme pratique de machine; Je veux seulement montrer comment, pour éviter les pertes de travail, on pourrait appliquer aux machines électriques ce que l'on appelle un régénérateur dans les machines thermiques.

Dans la figure, À, B, C, A’, B', C’ représentent des conducteurs

creux, fixes, disposés de façon que le véhicule P passe successivement à l'intérieur de chacun d'eux. De ces conducteurs A, A' et B, B’ entourent presque complètement le véhicule, lorsqu'il est au milieu de son passage; G, C’ ne le recouvrent pas autant.

Nous supposerons que À, B, GC soient reliés à une bouteille de Leyde de grande capacité au potentiel V, et que A'B'C' soient reliés à une autre bouteille au potentiel -- V’.

P est un des véhicules, qui tourne de À vers C', etc., et dans sa course, touche des ressorts reliés, «a et «'’ respectivement à A et À’, el e et e’ à la terre.

Supposons que, quand le véhicule P est au milieu de A, le coefficient d'induction entre P et À soit — A.

Dans cette position, la capacité de P est plus grande que À, puis-

Fig. 18.