Expérience d'Arago. — Disque de Faraday

Jusqu'à présent nous n'avons considéré que Tinduction développée dans des conducteurs filiformes en mouvement dans des champs

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magnétiques ; il est évident que les phénomènes d'induction auxquels donnent lieu ces déplacements se retrouvent dans le cas de masses métalliques.

Les lois élémentaires de Tinduction sont d'ailleurs les mêmes dans les deux cas, c'est-à-dire que la /. e. m. développée en un point quelconque d'une masse métallique en mouvement, est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique au point considéré, et à la vitesse de ce point, cette vitesse étant comptée perpendiculairement à la direction des lignes de force ; enfin cette /. e. m. est dirigée suivant la normale au plan déterminé par la direction de la vitesse et celle du champ. Il résulte de là que la grandeur et la direction des /. e. m. élémentaires développées dans l'intérieur de la masse métallique, varie d'une façon continue d'un point à l'autre ; il en est de même des courants élémentaires dont l'intensité et la direction dépendent non seulement des f.e.m., mais aussi de la conductibilité et de la forme du corps. On comprend que la détermination théorique de l'intensité du courant en chaque point, conduise, dans le cas le plus général à des calculs d'une extrême complication ; aussi le problème n'est-il accessible à l'analyse que dans quelques cas particuliers.

Quelle que soit d'ailleurs la distribution des courants dans Tintérieur des masses métalliques, leur existence a pour conséquence, d'après la loi de Joule, une certaine production d'énergie calorifique qui exige, à son tour, une dépense équivalente de travail mécanique pour maintenir la masse métallique en mouvement dans le champ magnétique.

On retrouve d'ailleurs ici, les mêmes lois que dans le cas des conducteurs filiformes en ce qui concerne la proportionnalité entre la vitesse de la masse métallique et l'intensité de la force nécessaire pour maintenir cette vitesse constante.

C'est à Arago que l'on doit la découverte des phénomènes mécaniques produits par le mouvement relatif d'une masse métallique et d'un aimant. Il les mit en évidence par l'expérience suivante :

Une aiguille aimantée NS (fig. 257) est suspendue par son centre à un fil de cocon ou à un fil métallique très fin ; au-dessous et aune

très petite distance de cette aiguille, est placé un disque en cuivre D horizontal dont le centre est situé sur le prolongement du fil de suspension et qui peut recevoir un mouvement de rotation au moyen d'un système d'engrenages actionné par la manivelle M. L'appareil étant d'abord en repos, l'aiguille se dirige suivant le méridien magnétique, mais si on imprime un mouvement de rotation à la manivelle M, on constate que l'aiguille est déviée d'un angle qui croît avec la vitesse du disque.

Fig. 257

Les phénomènes d'induction étaient inconnus à l'époque où Arago fit cette expérience pour la première fois, il ne put donc en donner aucune explication ; il donna à la cause inconnue du mouvement de l'aiguille, le nom de magnétisme de rotation.

Tout ce que nous avons dit plus haut montre clairement l'origine de la force développée par le disque en mouvement sur l'aiguille aimantée ; le mouvement relatif de ces deux corps développe, en effet, dans le disque, des /. e. m. d'induction donnant naissance à des courants électriques qui exercent à leur tour une action mécanique sur l'aiguille aimantée.

Faraday, le premier, donna cette explication dont il prouva l'exactitude en montrant qu'un disque dans lequel on empêche la production des courants induits (en créant dans sa masse un grand nombre de relations de continuité au moyen de traits de scie équidistants) (fig. 258), ne produit plus Tentraînement de l'aiguille.

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Il compléta la démonstration en construisant un appareil composé d'un disque en cuivre qui tourne entre les branches d'un aimant dont les pôles sont situés sur une droite parallèle à Taxe de rotation et très près de la circonférence extérieure du disque. En mettant un frotteur au centre du disque et un autre à l'extrémité du rayon qui joint ce centre à la ligne des pôles de Taimant, et en réunissant ces

Fig. 258

deux frotteurs par un fil^ on obtient dans ce fil un courant continu qui démontre l'existence d'une différence de potentiel entre le centre et la circonférence du disque ; c'est là le premier exemple connu d'une machine d'induction à courants rigoureusement continus.

482. — Expérience de Matteucci. — Matteucci a déterminé la forme des courants qui se développent dans le disque métallique de l'expérience d'Arago.

Pour cela, il fit tourner un disque en cuivre PEFP en face des pôles A et B d'un électro-aimant (fig. 259) en fer à cheval ; il se développe ainsi des courants qui restent fixes dans l'espace et par suite se déplacent par rapport au disque. Matteuci détermina d'abord la forme des lignes équipotentielles de la surface du disque ; dans ce but, il approcha jusqu'au contact de ce dernier en un point P, l'extrémité fixe d'un fil aboutissant à un galvanomètre dont il promenait le second fil sur la surface du disque jusqu'à ce que la déviation de l'aiguille du galvanomètre fût nulle. Il était évident alors

INDUCTION ÉLBCTRO7MA6NÉTIOUB

que les deux extrémités des fils du galvanomètre étaient situées sur une courbe équipotentielle. On peut donc obtenir autant de points que Ton veut en déplaçant le second fil du galvanomètre. Lorsque Ton a déterminé ainsi un certain nombre de courbes équipotentielles, il suffit, pour construire les courbes représentatives des courants qui sillonnent la surface du disque, de tracer les trajectoires orthogonales des courbes équipotentielles. Sur la figure 259, les courbes en traits pleins représentent les lignes équipotentielles et les traits ponctués représentent les courbes des courants.

Fig. 259

Matteucci observa le phénomène suivant : pour une faible vitesse toutes les lignes équipotentielles étaient symétriques par rapport aux axes EF et CD ; mais, la vitesse venant à augmenter, Taxe de symétrie EF s'écartait de sa position normale pour venir en E'F, faisant avec EF un angle « proportionnel à la vitesse de rotation du disque.

En se basant sur les expériences que nous venons de décrire, Matteucci en fit un autre qui en était la synthèse.

Il reproduisit, par incrustation de fils métalliques dans un disque en matière isolante, le dessin des courants qu'il avait obtenu par l'expérience précédente, et il fit passer dans ce réseau de condue-

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leurs le courant d'une pile; il constata qu'une aiguille aimantée suspendue au centre du disque était déviée de la même façon que dans l'expérience d'Arago.

483. — Expérience de Foucault. — Dans les expériences d'Àrago et de Matteucci, le sens des courants qui se forment dans le disque de cuivre est tel qu'ils tendent, en vertu de la loi de Lenz, à s'opposer au mouvement. Foucault a démontré d^une façon très frappante cette application de la loi de Lenz en faisant tourner un disque dans un champ magnétique très intense produit par un fort électro-aimant; le mouvement de rotation du disque étant amplifié par une série d'engrenages, tant que le courant ne passe pas dans Télectro-aimant, on n'éprouve aucun effort à faire tourner le disque ; mais dès que le champ magnétique est créé, les courants induits engendrés dans le disque s'opposent au mouvement, comme le ferait un frein, et l'on est obligé de produire sur la manivelle un effort considérable pour maintenir en mouvement le disque dont la température s'élève alors très rapidement. Cet effort est proportionnel à la vitesse.

484. — Indicateur magnétique de vitesse de M. Marcel Deprez. — On peut en se basant sur cette propriété, construire un indicateur de vitesse, comme nous l^avons fait en 1880. Il suffit, en effet, dans l'expression trouvée plus haut (468)

de connaître F pour en déduire la vitesse V.

L'indicateur de vitesse (fig. 260) se compose d'un aimant en fer à cheval NS mobile autour d'un axe creux, auquel on peut communiquer, au moyen d'une poulie p et d'une courroie, le mouvement de rotation dont on veut mesurer la vitesse.

Entre les branches de cet aimant, se trouve un tube de cuivre (fig. 261) renforcé intérieurement d'un tube de fer dont le rôle est d'augmenter l'intensité du champ magnétique ;. l'axe de ce tube de

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cuivre qui coïncide avec celui de l'aimant, est monté sur des couteaux C et C, comme une balance, et il est muni d'un petit contrepoids M qui tend constamment à le ramener dans une position

Fig. 260

déterminée; on peut mesurer ses déviations, pendant la rotation de Taimant, au moyen d'une aiguille a qui se déplace devant un cercle gradué.

Fig. 261 CoQpe suifant AB.

Si on désigne par w la vitesse angulaire de l'aimant, / l'effort tangentiel exercé sur le tube lorsque l'aimant est animé d'une vitesse angulaire égale à l'unité, r le rayon du tube,