F = ^LI
dans laquelle F est exprimée en dynes, 36 en unités magnétiques C. G. S., L en centimètres, I en dizaines d'ampères.
Si Ton veut exprimer F en grammes, L en mètres, et I en ampères, l'équation résolue par rapport à 36 devient
Description de l*appah£il. — Dans la pratique, il serait impossible de donner à la valeur L du fil, une valeur considérable ; on tourne la difficulté en enroulant le fil sur un cadre rectangulaire, mobile autour d'un axe perpendiculaire aux lignes de force, et qui divise le cadre en deux parties égales.
Le fil enroulé sur ce cadre, forme un grand nombre de spires et il en résulte que les cotés du cadre perpendiculaires aux lignes de force ne peuvent être assimilés à un fil unique, que si Ton a soin de considérer toutes les spires comme réduites à une seule située à une distance de Taxe de rotation égale à la moyenne arithmétique des distances des spires extrêmes.
Dans ce cas, la longueur que nous avons appelée L, est égale au nombre de spires multiplié par deux fois le côté parallèle à Taxe, de la spire moyenne. La force a pour mesure le produit de Teffort lu
Fig. 289.
sur la balance à ressort, par le rapport du bras de levier qui agit sur la balance, à la distance de Taxe à la spire moyenne.
L'appareil employé se compose (fig. 289) d'un cadre r, rectangulaire et recouvert de fil, mobile autour de son axe, dans un champ
780 woTE vai
magnétique créé par un électtx>-«iBiant ËE mui d'épanoaissean^its polaires cylindriques ee entre lesquels est placé un cylindre « «n fer doux, intérieur au cadre c et concentrique aux pièces polaires.
Sous l'action du courant qui le traverse, le cadre va être légèrement dévié de sa position horizontale ; on mesure Teffort qui produit cette déviation à l'aide d'une balance à ressort dont le plateau ne se déplace que de 1 centimètre pour un effort de 1 kilogrammie. Le cadre agit sur la balance par l'intermédiaire d'un levier très long // soudé perpendiculairement à l'axe du cadre et situé dans le même plan.
En faisant passer des courants d'intensité croissante d'une expérience à l'autre dans le circuit inducteur, et un courant d'intensité fixe dans le cadre mobile, on obtient des efforts croissants correspondants à des champs croissants dans l'entrefer, mais cet accroissement n'est pas proportionnel à l'accroissement du courant qui excite l'électro-aimant.
Les résultats des différentes expériences auxquelles nous nous sommes livrés, sont consignés dans le tableau ci-après ; dans ces expériences, l'intensité du courant dans le cadre est de 0^,152.
DONNÉES DE CONSTRUCTION DE l'aPPAREIL
Electro-aimants.
Longueur du noyau de fer 84»/»
Diamètre » » eO»/»
Diamètre d'alésage des pièces polaires 97"/»"
Diamètre extérieur du tube de fer intérieur au cadre, 80"/"
Longueur du tube de fer intérieur au cadre .... 80" »
Pf ombre de spires de fil par branche . . . . . . 4935
Résistance d'une branche 121 ohms,
Cadre.
Nombre dé spires du cadre 2470
Longueur totale du fil enroulé sur le cadre .... 919"» ,50 Longueur du fil actif (L) . . . . , s . . . 384*
.An>EiiiacE
Tableau des expériences faites le 27 février 1889.
Intensité
Effort
Inten-
Champ moyen dans l'entrefer
Flux
des eniȎrioDces
dans le fli de rélBCtrcHûmnit '
snr le peson à l'Mtrémité d'un letiep de 30«»«
sité dans le cadre ^
en grammes
en
unîtes
par cm"
dans
les noyaux
gr«'
ia,05
OQ <
Il -est très intéressant de campsvper la valeur dn champ magnétique dans l'entrefer, telle qu'elle est donnëe par ces expériences^ à •celle que 'donne la formule dn ntRaéro 429
trrlVI
dans laqpielle N représente le nomîwe total de spires contenu dans l'ensemble des deux solénoïdes ; 8 , l'entrefer total, c'est-à-dire la difiFérence du diamètre d'alésage des pièces polaires et du diamètre extérieur du cylindre de fer intérieur an cadre. Nous saTons que cette formule n'est applicable que quand la per-
inhabilité du fer est très grande et que la section des noyaux de fer est également grande par rapport à leur longueur. Or, ces conditions sont remplies tant que le flux par centimètre carré ne dépasse pas 6000 unités.
Prenons comme exemple Texpérience n"" 13 dans laquelle on avait
On a vu plus haut que le nombre de spires par branche était de
4935 ; donc
Quant à la valeur de 8, elle était égale à 17"/" soit 1*'",7. La valeur calculée de % est donc
I étant exprimé en Ampère. Si on fait
I = 0,292, il vient
tandis que Tintensité donnée par Texpérience n° 13^ est égale à 2000. L'erreur relative est un peu supérieure à 5 Y© ; résultat très satisfaisant si Ton considère la multiplicité des éléments mal connus qui entrent dans ce problème et les hypothèses que Ton a été obligé de faire pour le rendre accessible au calcul.
Lorsque le flux dans les noyaux de fer dépasse notablement 6000 unités par centimètre carré, la perméabilité diminue rapidement ; il n'est plus alors permis de négliger la réluctance du fer et Ton ne peut plus appliquer la formule que nous venons d'employer, ainsi qu'il est facile de s'en assurer. La conclusion à tirer de ces expériences est que l'on peut considérer le flux de force à l'intérieur du fer, comme sensiblement proportionnel à ]a force mieignéto-motrice 4tcNI, tant que ce flux est inférieur à 6000 unités par centimètre carré.
La figure 290 représente, sous forme de courbe, les résultats du tableau précédent. La courbe qui porte l'indication première expérience^ correspond aux résultats obtenus lorsque l'intensité du cou-
rant dans le cadre mobile était de O'',lo2. La courbe portant Tindication deuxième expérience, se rapporte aux résultats obtenus lorsque rintensité était de 0^^,182; ces derniers résultats ne sont pas consi-
iSo
no 8o\
10 io So *o So 6o 70 8o go yc3 *rc ^ i/ /fmp&r^ Fig. 290.
gnéssurle tableau. Les abscisses sont proportionnelles aux intensités exprimées en centièmes d'ampères et les ordonnées représentent les efforts (exprimés en grammes) exercés à Text rémité du bras de levier de 30 centimètres.
DSPREZ, ÉLECTR. INDU8TB. — T* I, FÀSC. 2
CHAHPS HAGNÉTIQUES TOURNANTS
C'est en 1883 que M. Marcel Deprez a fait breveter, pour la première fois, le dispositif qui permet d'obtenir les mêmes résultats que Tanneau Pacinotti, sans employer ni le sectionnement, ni lo collecteur, ni les balais. C'est à lui qu'appartient l'idée de remplacer l'action uniforme d'un courant traversant un cadre, au centre duquel est placé un disque en fer doux, par celle de deux courants d'intensité différente traversant deux cadres rectangulaires entre eux (fig. 231), de façon qu'on puisse considérer la direction de Taimantation produite dans le disque, comme dépendant uniquement du rapport des intensités des deux courants. Dès 1881, il avait réalisé dans les ateliers de M. Carpentier, un moteur électrique dont la pièce mobile était ainsi composée d'un disque en fer doux recouvert de deux enroulements rectangulaires entre eux et solidaires du disque. Ce disque, mobile autour d'un axe horizontal, était placé entre les branches d'un aimant en fer à cheval, de façon que l'axe de rotation fût perpendiculaire à la direction des lignes de force.
En lançant dans chacun des enroulements un courant distinct emprunté à une pile, on pouvait, en renversant simplement le sens du courant, créer quatre combinaisons différentes auxquelles correspondaient quatre directions de la ligne des pôles du disque^ le courant ayant, dans tous les cas, la même intensité dans les deux enroulements. Ce nombre de combinaisons pouvait être porté à huit, en supprimant à certains moments le passage du courant, soit dans
l'un, soit dans l'autre des enroulements. A chacune de ces combinaisons correspondait une direction particulière de la résultante des actions magnétiques des deux cadres, et par conséquent, une position particulière d'équilibre du disque dans le champ magnétique. Ces combinaisons étaient réalisées au moyen de deux commutateurs à inversion (fig. 250) auxquels on imprimait un mouvement de rotation qui avait pour conséquence un mouvement angulaire identique de la ligne des pôles dans le disque en fer doux. Cette ligne polaire, tendant à se mettre toujours dans la direction des lignes de forces de Taimant, il en résultait que le disque tournait d'angles égaux à ceux dont on faisait tourner le double commutateur d'inversion. M. M. Deprez put obtenir ainsi la reproduction complète en grandeur et en direction du mouvement angulaire d'un arbre tournant placé à une distance quelcQuque de l'ensemble des commutateurs.
Mais ce système ne pouvait reproduire le mouvement que par fractions indivisibles de 43 degrés ; pour obtenir une reproduction exacte du mouvement de rotation de l'arbre des commutateurs, il aurait fallu faire varier l'intensité de chacun des deux courants d'une façon continue, ce qui aurait exigé l'emploi de deux rhéostats d'une réalisation assez difficile. Il était beaucoup plus simple d'engendrer les deux courants au moyen d'une source à force électromotrice variable, telle qu'une bobine tournant dans un champ magnétique.
L'appareil de synchronisme à champ magnétique tournant, se trouva donc composé : 1° d'une double source de force électromotrice formée de deux bobines indépendantes, rectangulaires entre elles, et tournant dans le même champ magnétique produit par un aimant permanent ; 2° du disque de fer doux recouvert de deux enroulements rectangulaires, décrit plus haut. Chacune des bobines communique d'une façon permanente avec un des enroulements du disque, de sorte que lorsqu'on met les deux bobines en mouvement, elles engendrent des courants sinusoïdaux déphasés de 90*» qui font naître, dans le disque en fer, une aimantation dont l'intensité est constante, mais dont la direction se déplace avec la même vitesse
angulaire que les bobines et d'une façon absolument continue comme nous l'avons démontré (432).
Il est évident d ailleurs que le système des deux bobines génératrices du courant peut recevoir une forme identique à celle du disque récepteur à double enroulement, et le système se réduit ainsi à deux appareils identiques placés aux extrémités d'un même circuit ; de telle sorte que si Ton met Tun des deux en mouvement^ Taulre prend un mouvement identique.
M. Deprez montra que l'on pouvait également produire un champ magnétique tournant dans un anneau de fer entouré de fil comme Tanneau Pacinotti, sans avoir recours au sectionnement, et sans employer ni collecteur, ni balais. La première application qu'il fit de cette seconde disposition, fut décrite dans un brevet en date du 22 juillet 1882, sous le nom de Comparateurs des courants électriques. Nous donnons ci-dessous la description succincte de ce brevet telle qu'elle a été publiée par M. Marcel Deprez dans la notice qu'il a fait paraître en 1883 sur ses titres scientifiques.
Comparateurs des courants électriques^^'.
(Brevets, juillet 1882.)
M. Marcel Deprez a imaginé un certain nombre de dispositifs permettant de comparer Tintensité de deux courants. Il n'est pas utile de les détailler tous : nous citerons comme principe, une bobine suspendue enlre quatre pôles d'aimant dont les actions concourent à augmenter le déplacement, ou deux cadres rectangulaires solidaires également placés devant les pôles d'aimant. Le dispositif auquel M. Deprez s'arrête de préférence est à circuit fixe. Il' se compose essentiellement de deux circuits distincts enroulés côte à côte sur un même anneau de fer. L'un d'eux reçoit un courant par les extrémités d'un diamètre. Vautre par les extrémités du diamètre perpendiculaire ; Vanneau est alors soumis à deux tendances magnétisantes rectangulaires entre elles ^ et son magnétisme définitif sera produit par la résultante de ces deux actions ; une aiguille aimantée, suspendue au centre de l'anneau, donnera la direction de cette résultante et par conséquent le rapport des intensités passant dans les deux circuits.
(1) Notice sur les travaux scientifiques de M. Marcel Deprez, page 36. GauUiier-ViUars, éditeurs. Paris, 1883.
Une autre application du champ magnétique tournant, a ét^ l'objet (I^une prise de brevet de la part de M. Deprez en mai 1883 ; elle est également décrite d'une façon succincte dans la notice précédemment citée (pages 43 et 44). Cette description a cela d'intéressant que l'auteur s'est efforcé de bien faire comprendre ce qu'il entendait par « un champ magnétique tournant » et que, après avoir pris comme type du genre, l'anneau Pacinotti dans lequel le champ tournant est obtenu par des procédés mécaniques, il montre que le même résultat peut être obtenu sans Temploi d'aucune pièce mobile, au moyen de deux enroulements distincts dans lesquels on lance des courants dont les intensités sont dans un rapport variable avec la direction que Ton veut assigner aux lignes de force du champ.
Le brevet auquel nous faisons allusion avait été pris sous le titre de Régulateur du champ magnétique ; voici la reproduction du passage de la notice qui concerne ce brevet.
Régulateur du champ magnétique.
(Brevets, 10 mai, 22 mai 1883.)
Imaginons les enroulements du fil inducteur divisés en sections et aboutissant à un collecteur à lames analogue k celui d'une machine de Gramme ; on sera libre de faire pénétrer le courant magnétisant, par le point qu'on voudra. S'il entre, ainsi qu'il a été dit, par le plan médian, les pôles seront dans ce plan ; le champ inducteur sera maximum. En faisant tourner surle collecteur, un couple de frolteurs qui amenait le courant, on le fera pénétrer par un autre point ; les pôles du champ s'y transporteront : ils cesseront de se trouver dans les piècesi inductrices ; le champ actif sera amoindri ; lorsque le plan des pôles aura tourné d'un quadrant, les pièces inductrices seront dans la ligne neutre, le champ actif sera nul ; en continuant le mouvement, il reprendra progressivement son action, mais en sens inverse, diminuera de nouveau et ainsi de suite. On est donc complètement maître du champ magnétique, et cela sans jamais rompre le courant et sans faire varier la résistance du circuit, conditions extrêmement importantes.
Ces dispositions ayant été appliquées à une machine, ont permis, par une rotation d'un quadrant, imprimée au régulateur du champ magnétique, de faire varier la force électro-motrice de 700 volts à et, par une coïncidence intéressante, à vitesse constante, la variation de la force
électro-motrice a été trouvée proportionnelle à Tangle de rotation du régulateur.
Celte rotation du champ magnétique peut être obtenue sans faire mouvoir aucune pièce ; pour cela, on fera naître le champ à l'aide de deux courants dont les points d'entrée sont sur deux diamètres perpendiculaires ; Taimantation de ce champ sera alors une résultante dont la position dépend des intensités relatives desdeux courants, ainsi que celaaété décrit ci dessus pour le comparateur des courants ; il suffit de faire varier le rapport de ces intensités pour faire tourner cette résultante et avec elle le champ magnétique.
HARTEAU-PILON ÉLECTRIQUE STSTËHE HARCEL DBPREZ
Comme application du principe du sectionnement (434) nous donnerons la description du marteau-pilon électrique système Marcel Deprez.
Cet appareil, représenté schématiquement sur la figure 291, se compose d'une série de galettes gg' --.. g" disposées autour d'un cylindre de laiton d'une longueur au moins égale à la course maximum du marteau et servant de guide à la masse de fer N constituant ce marteau qui vient frapper sur l'enclume E.
Chaque galette, formée d'une vingtaine de spires, est reliée aux bobines voisines de la même façon que les bobines d'un anneau Pacinotti, c'est-à-dire que l'extrémité du fil par laquelle le courant entre dans l'une d'elles est soudée à l'extrémité du fil par laquelle le courant sort de la galette précédente. Chaque soudure est reliée à une lame d'un collecteur CC formé de touches isolées les unes des autres.
Le courant entre par un balai B et sort par un balai B' après avoir parcouru un nombre de galettes égal au nombre de touches du collecteur comprises entre les deux balais ; si on déplace l'ensemble de deux balais maintenus à une distance constante, le nombre de galettes parcourues par le oourant restera invariable, mais le solénoïde formé par la réunion de toutes ces galettes rendues actives par le passage du courant, se déplacera dans l'espace d'une quantité proportionnelle au déplacement des balais.
Il se comportera donc absolument comme le ferait un solénoïdc de longueur constante que Ton ferait monter ou descendre le long ^u tube de cuivre qui sert de guide au marteau. Il résulte de là que si le solénoïdc formé par la réunion de toutes les galettes actives,
Fig. 291.
exerce sur le marteau N, une attraction suffisante pour le maintenir suspendu dans l'espace, ce marteau montera ou descendra proportionnellement au déplacement de l'ensemble des balais. On aura donc ainsi réalisé un véritable servo-moteur électrique.
Dans le modèle construit en 1882, les sections élémentaires étaient au nombre de 80, formant une hauteur totale de 1 mètre, le cylindre en fer doux avait 10*" de diamètre, 40^" de longueur et pesait 23 kilogrammes. Lorsque le courant avait une intensité de 23 ampères et qu'il traversait 15 sections, l'efiFort développé pouvait atteindre 70 kilogrammes, c'est-à-dire trois fois le poids du marteau ; aussi obéissait-il avec une docilité absolue aux mouvements de la main de Topéràteur.
Le professeur américain Page, a fait autrefois des expériences intéressantes avec un appareil analogue au marteau-pilon de M. Marcel Deprez.
Il consistait en une série de bobines superposées, dans chacune desquelles le courant était lancé successivement, de sorte que le morceau de fer placé à Tintérieur de cette série de bobines, pouvait s'élever à une hauteur proportionnelle au nombre des bobines employées. Mais il y avait, entre Tappareildu professeur Page et celui que nous venons de décrire, une différence importante qui consistait en ce que le courant ne traversait qu'une bobine à la fois, cette bobine ayant une dimension égale à la somme des bobines partielles de Tappareil de M. Deprez. Il en résultait que, au moment du passage du courant d'une bobine dans Taulre, de violentes étincelles éclataient entre les lames et les balais du commutateur.
L'appareil du Professeur Page, n'était donc pas comme l'appareil cle M. Deprez^ une application du principe du sectionnement.
iNOTE XI
PRODUCTION D UN TRAVAIL MÉCANIQUE AU MOYEN D'UN ÉLECTRO- AIMANT A PÔLES TOURNANTS, DONT L INTENSITÉ D'AIMANTATION RESTE CQNSTANTE
Pour montrer la fécondité du principe du sectionnement, nous allons donner la description d'un électro-aimant qui peut exercer, sur une armature en fer placée dans son voisinage, une attraction considérable que Ton peut annuler à volonté sans changer le moment magnétique , ni par conséquent l'énergie potentielle de l'électroaimant. Il en résulte que si Tarmature en fer est libre de se mouvoir, à la condition toutefois de développer un travail mécanique extérieur, tel que l'allongement d'un ressort ou le soulèvement d'un poids, ce système constituera un véritable moteur électrique basé sur l'utilisation de l'attraction exercée par un électro-aimant sur une masse de fer. C'est cette propriété qui, pendant un grand nombre d'années, a été exclusivement appliquée dans tous les essais de moteurs électriques avant l'invention de Tanneau Pacinotti, mais il en résultait une perte considérable d'énergie due à la désaimantation du noyau de fer de l'électro-aimant^ ainsi que des phénomènes destructeurs qui en sont la conséquence (étincelle d'extra-courant). En outre, l'aimantation et la désaimantation étant d'autant plus lentes que les dimensions de l'électro-aimant sont plus considérables, le nombre des oscillations utiles de l'armature diminuait très rapidement quand on augmentait les dimensions de l'électro-aimant.
'Dans le dispositif que nous allons décrire, ces inconvénients ont été complètement évités.
Supposons que sur un octogone régulier en fer, abcd (fig. 292), on enroule quatre solénoïdes Si, S2, S3, S4 composés de sections reliées entre elles comme dans l'anneau Pacinotti, mais réparties en quatre groupes égaux de façon que quatre des côtés de Toctogone soient recouverts de fil de deux en deux, tandis que les quatre autres côtés sont nus. Le groupement des sections constituant les solénoïdes, est
effectué exactement comme il le serait dans un anneau Pacinotti ne présentant aucune solution de continuité, et chacune des jonctions des fils de deux sections consécutives est reliée à une lame d'un collecteur fixe, comme on le voit sur la figure. Le courant qui anime lappareil, est amené par deux balais, B, B', dont l'ensemble peut tourner autour du centre du collecteur.
Supposons ces balais placés d'abord de façon que la droite qui joint leurs points de contact avec le collecteur, passe par les milieux des côtés a et c de l'octogone ; nous savons que le passage du courant déterminera en chacun de ces points la production d'un pôle coîisrquent qui sera par exemple austral en a et boréal en c, tandis que les milieux des côtés 6 et rf ne présenteront pas de trace d'aimantation. Faisons maintenant tourner les balais d'un quart de tour dans le sens abcd\ le double pôle austral de l'octogone apparaîtra en b et le double pôle boréal en rf, tandis que les points a et c ne présenteront plus de trace d'aimantation.
Un second quart de tour imprimé aux balais dans îe même sens, aurait pour effet de transporter le double pôle austral en c et le double pôle boréal en a, c'est-à-dire de renverser le sens de Taimantation primitive, les points ô et rf redevenant neutres.
Il est évident que ce déplacement des pôles suivant le périmètre de l'octogone aurait encore lieu si les côtés a, ô, c, rf, au lieu d'être dans le même plan, étaient placés dans des plans différents, à la condition, bien entendu, qu'ils soient en contact intime par leurs «xtré-
Fig. 293.
mités^ de façon qu'il n'existe entre eux aucune solution de conlinuilé.
Nous pouvons , en mettant celte remarque à profit , déformer complètement le système sans changer ses propriétés magnétiques et lui <lonner la disposition représentée par la figure 293, dans laquelle les quatre côtés de l'octogone recouvert de fil, SiSsSaSi, sont devenus verticaux, tandis que les quatre autres côtés sont répartis entre deux plans horizontaux, de sorte que la projection horizontale de cet ensemble se réduit à un carré.
Supposolis maintenant que, à proximité des portions non recouvertes de fil, on ait placé deux plaques de fer horizontales P et F de forme carrée susceptibles d'un mouvement limité perpendiculairement à leur plan et soumises à Faction de ressorts r et / agissant en sens contraire de Tàttraction magnétique.
Si on lance le courant dans Tappareil, et si on fait tourner les balais, non représentés sur la figure , les deux pôles extrêmes du système se déplaceront dans l'intérieur du fer, de telle façon que, pour une certaine position des balais, ces pôles seront situés dans un plan parallèle à la plaque P sur laquelle ils exerceront une attraction suffisante pour vaincre Faction du ressort r, tandis que, au même moment, les côtés horizontaux inférieurs seront à Tétat neutre. Si on fait faire un quart de tour aux balais, les rôles seront intervertis ; les côtés horizontaux inférieurs deviendront le siège des pôles et attireront la plaque F, tandis que les côtés supérieurs reviendront à Tétat neutre et laisseront la plaque P obéir librement à l'action du ressort r.
Chacune des plaques mobiles exécutera donc deux oscillations complètes pour un tour entier des balais, mais leurs mouvements ne seront pas concordants et l'intervalle de temps qui s'écoulera entre eux sera égal au quart du temps nécessaire pour accomplir une rotation des balais.
L'appareil que nous venons de décrire a été construit à Creil en 1888 ; la tension de chaque resjsort était de 100 kg.; le diamètre des noyaux de fer cylindriques recouverts de fil, était de 6 cm.; les côtés horizontaux non recouverts de fil, de section carrée, avaient 6 cm. de côté. En lançant un courant de 20 ampères environ, on déterminait, par une rotation rapide des balais, une série d'oscillations des deux plaques de fer, sans aucune production d'étincelles. Le mouvement (des plaques de fer était accompagné d'un bruit considérable qui indiquait que la force vive de ces plaques, au moment du choc contre leurs arrêts, eût été suffisante pour produire des effets utilisables industriellement, tels que forgeages de clous, etc.
Il est évident que le champ magnétique tournant, produit grâce à l'emploi du sectionnement, aurait pu l'être comme nous l'avons
démontré, au moyen de deux courants alternatifs déphasés d'un quart de période, traversant, le premier, les solénoïdes Si et Sa, le second, les solénoïdes S» et Si. On aurait ainsi supprimé le sectionnement, le collecteur et les balais ; mais le rythme du mouvement des plaques P et F n'aurait plus été arbitraire puisqu'il aurait été absolument dépendant de la fréquence des courants alternatifs employés.
