CHAPITRE VU- EFFETS MÉCANIQUES ET PHYSIQUES DE l'ÉLECTRICITÉ
Avant d'aborder l'histoire des phénomènes mécaniques, calorifiques et lumineux produits par l'électricité, il nous paraît convenable de dire quelques mots des principaux résultats des travaux entrepris dans le but de déterminer la vitesse de propagation de cet agent.
¥ltesse de propagation del'éleetrlclfé. — Nous aVOns
déjà parlé (tome I, p. 166) des recherches de M.Wheatstone sur la vitesse de propagation des décharges d'électricité statique. Dans ces dernières années, les physiciens ont profité de l'établissement des grandes lignes télégraphiques, pour entreprendre des éludes de même genre sur les courants voltaïques. Parmi ces travaux, celui de MM. Fizeau et Gounelle (1) se distingue par l'importance des résultats, et par l'exactitude de la méthode expérimentale. Ils ont opéré sur les fils des télégraphes électriques de Paris à Rouen, et de Paris à Amiens. Les deux fils' de chacune de ces lignes pouvaient être réunis à Rouen et à Amiens, et venaient aboutir par leurs extrémités
(4) Comptés rendus de V Académie des sciences, 1850, t. XXX, p. 437; — I85f, l. XXXIX, p. 469.
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118 une même salie du ministère de l'intérieur. La kmiens présentait ainsi un circuit fermé k Amiens, . Paris, et dont la longueur, double de la distance mx villes, était de UU kilomètres. La ligne de Toumissait un circuit semblablement disposé, et kilomètres de longueur. La communication d(' Vmiens est tout entière en fil de fer; celle de Paris
est pour un tiers en fil de fer, et pour les rfew^ ?r« en fil de cuivre, « Le principe de la nouvelle ie expérimentale consiste à interrompre un couà des intervalles de temps très rapprochés et tmément^ dans deux points très éloignés d'un conir, et à obser>'er sur un galvanomètre les déviairoduites, lesquelles varient avec le nombre des iptions, et deviennent maximum pour un certain •e d'interruptions et minimum pour un autre. » Msons qu'on veuille agir sur la ligne d'Amiens. voir réuni, à Amiens, les extrémités des deux raphiqoes F, F (Fig. ^09), faisons communiquer, l'extrémité libre du fil F avec le ressort niétal-
et l'extrémité libre du fil F' avec le ressort mêlai-
•» Une pile P communique par son pôle positif lOBsort métallique A, et par son pôle négatif avec
enfin, des deux extrémités du fil du galvano- , Tune est attachée au ressort métallique C, et longe en terre. Les deux ressorts A» A', sont isolés l'autre, il en est de même des deux ressorts C, C.
une roue de bois, dont la tranche présente 36 s égales, 18 de platine et 18 de bois alternant lies. — Chaque paire de ressorts (A, A'), (C, O)
forme un interrupteur distinct, la première (A, A' point de départ, et la seconde (C, C'} au point d*an du courant. Ces deux interrupteurs sont réglés de nière que leurs effets concordent exactement, c'es
Fig. 409.
dire de manière que les deux paires de lames (A, (C, C) passent simultanément d*une lame conductri( un intervalle isolant, et réciproquement. Quand la roue R est au repos, le circuit de la lîgn*
. MiCiNIQUKS ET PHYSIQUES DE L'ÉLECTRICITÉ. 397
inomëtre est à la fois ouvert ou fermé en (A, A'] y G'), suivant que les ressorts reposent sur un 6 isolant de bois ou sur un intervalle conducteur ne; ma'is, quand la roue R est en mouvement, ce ûrcuit est alternativement ouvert et fermé en et éprouve des alternatives semblables et simula (C, G). Il en résulte qu'il n'y a de courant envoyé {ne que pendant la durée du contact des quatre res-
A', C, G', avec les lames métalliques de la roue, ns tourner la roue sur son axe, la pile P envoie gne, à travers l'interrupteur (A, A') et le fil F, une courants interrompus qui reviennent par le fil F', suvent pénétrer dans le galvanomètre G qu'après averse l'interrupteur (G, G'). Il ne passe donc dans inomètre que des courants discontinus. Mais llet a démontré expérimentalement (pagcU7) que, les interruptions se succèdent rapidement, Tai- ;t déviée d'une manière stable, comme si le courant utinu.
vitesse de l'électricité était infinie ; si, du ressort A' ;ort G\ la transmission s'opérait instantanément rs la ligne, tout se passerait évidemment comme
avait qu'un interrupteur. Le courant arriverait anomètre G au moment où l'interrupteur (A, A') rait une lame métallique de la roue ; son action sur le aimantée durerait autant que le contact, et
au moment où l'interrupteur (A, A') passerait ame conductrice à un espace isolant, i, si l'électricité emploie un temps fini pour se
de A' en G' à travers la ligne, les choses ne
se passent i>as ainsi. D'une part, bien que les interrupteurs soient parfaitement concordants, Técoulement du courant à travers (C, C) et le gabanomètre G commence seulement quelque temps après son émission à travers Fintemipteur fermé (A, A'); d'autre part, en raison même de la concordance des inteiTupteurs, le circuit est rompu en (C, C) avant que la totalité de rélectricité émise à travers Tintérrupteur (A, A') pendant la durée du passage simultané des qiiQtre ressorts sur les lames conductrices, ait eu le temps de s'écouler à travers le galvanomètre G. 11 en résulte nécessairement qu'au moment de la rupture du circuit à ses deux extrémités, les fils F, F', sont encore chargés d'une certaine quantité d'électricité, qui reste sur ces fils tant que dure cette double rupture du circuit ou le passage simultané des quatre ressorts sur les intervalles isolants de la roue, et ne peu s'écouler à travers le galvanomètre G qu'au moment où le circuit est dé nouveau fermé par ses deux extrémités à la fois*
Pour se mettre à l'abri des effets perturbateurs de cette condensation d'électricité sur le fil de la ligne, MM. Fizeau et Gounelle établissent, en 0, une communication directe du fil F' avec la terre, au moyen du conducteur D. Il en résulte que, par son extrémité 0, le circuit est toujours fermé : au moyen du conducteur D seulement quand l'interrupteur (C, C')'est sur un espace isolant, à la fois par le conducteur D et le galvanomètre G quand l'interrupteur (C, G') est sur une lame conductrice. — De cette manière il n'y a plus d'accumulation possible d'électricité sur le fil de la ligne, mais aussi il ne passe jamais parle
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galvanomètre que des courants dérivés. On a soin de donner au conducteur de décharge D une résistance plus grande que celle du galvanomètre, afin que, la roue étant au repos et les interrupteurs étant fermés, la majeure partie du courant émis par le pôle positif de la pile P traverse rinterrupteur (C, C), arrive au galvanomètre G, et agisse sur Vaiguille aimantée.
Cela posé, mettons la roue en mouvement. Évidemment, à mesure que la vitesse de rotation augmente, la fraction du courant lancé sur la ligne qui passe par Tinterrapteur (C, C) et le galvanomètre devient moindre, et, par suite, la déviation de Taiguille aimantée diminue.
Mais la roue, en s'accélérant, acquiert une vitesse telle que le temps employé par les ressorts à passer sur une lame de platine est égal à celui qu'il faut à l'électricité pour aller d'une extrémité à l'autre du fil de la ligne. H est facile de voir que, dans ce cas, les ressorts C, C, passent sur un intervalle isolant au moment même où le courant émis en (A, A') commence à arriver en C' ; de plus, le circuit reste rompu en (C, C) pendant un temps égal à celui qu'a duré l'émission de ce courant. Si, à toutes les époques de leur propagation , les courants discontinus occupaient la même longueur sur les fils conducteurs, le flux intermittent d'électricité émis par la pile à travers l'interrupteur (A, A') passerait nécessairement tout entier par Je fil de dérivation D tant que'la roue conserverait la même vitesse; dès lors le galvanomètre ne recevrait rien, et l'aiguille aimantée, sollicitée par la seule action de la terre, resterait fixe sur le zéro de la graduation.
L'expérience montre que le passage du courant à tra-
vers le galvanomètre n*est jamais complètement supprimé, mais que, pour une certaine vitesse de rotation, la déviation de Taiguille aimantée est minimum. Ce fait indique que, pendant leur propagation, les courants discontinus éprouvent une diffusion en vertu de laquelle ils occupent, sur les conducteurs qui leur livrent passage, un espace plus grand au point d'arrivée qu'au point de départ. — Du reste, cette déviation minimum correspond évidemment au moment où la vitesse de la roue est telle que les ressorts des interrupteurs et le courant mettent le même temps, les premiers à passer sur une divisi(m de la roue, le second à traverser le fil de la ligne d'un bout à l'autre.
Le nombre n des divisions égales, tant isolantes que conductrices, de la roue étant connu, la longueur e du fil de la ligne, depuis A' jusqu'à C, étant déterminée, et le nombre m de tours exécutés par la roue en une seconde étant fourni par un compteur au moment où la déviation de l'aiguille est minimum ^ il est facile de calculer la vitesse de propagation de l'électricité. En effet :
Dans wne seconde de temps, les ressorts parcourent nécessairement m fois n divisions, par conséquent le temps/ employé par les ressorts à passer sur une division est
mn
Mais, si nous appelons v la vitesse de l'électricité, nous
avons
d'où, en remplaçant t par sa valeur, V = emn.
BFFBTS MKCàNIQUKS KT PHYSIQUES DE L'iLECTRICITÉ. AOl
Quand Taiguille du galvanomètre est fixe au minimum de déviation, au lieu de maintenir la vitesse de la roue constante, accélérons graduellement le mouvement. — D'abord la quantité d'électricité qui passe par le galvanomètre augmente, et atteint un maximum, — Puis, cette quantité d'électricité diminue, et tombe à un minimum; après quoi die augmente encore, s'élève à un nouveau maximum suivi bientôt d'une diminution, et ainsi de suite. — L'intensité du courant que reçoit le galvanomètre éprouve ainsi une série de variations périodiques, traduites par des changements correspondants dans la déviation de l'aiguille aimantée, qui est alternativement maximum ei minimum. Toutefois les limites de ces oscillations de l'aiguille sont d'autant moins écartées que la vitesse de rotation est plus grande.
En prenant pour unité le temps qu'emploie le courant à parcourir le fil de la ligne, il est facile de déterminer les vitesses de la roue correspondantes à ces diverses périodes de déviation maximum et minimum de l'aiguille. En effet :
L'intensité du courant transmis à travers le galvanomètre G et la déviation de l'aiguille sont minimum, chaque fois que les lames de l'interrupteur (C, C) passent d'une division conductrice à une division isolante au moment même où un courant émis en (A, A') arrive en C. Or, évidemment, cette condition est réalisée quand le temps que les lames métalliques mettent à parcourir une division de la roue a une des valeurs suivantes : 1, |, |, etc.
Au contraire, l'intensité du courant transmis à travers le galvanomètre G et la déviation de l'aiguille sont maximum
UQ2 ÉLECTRICITÉ DYNAMIQUE.
chaque fois que les lames de l'interrupteui* (C, C) passent d'une division isolante à une division conductrice au moment même où un courant émis en (A, A') arriveen C. Or, évidemment, cette condition est réalisée quand le temps que les lames métalliques mettent à parcourir une division de la roue a une des valeurs suivantes : 1/2, |, J, etc.
MM. Fizeau et Gounelle ont rendu leur appareil expérimental plus sensible, en le modifiant ainsi qu'il suit (Fig. /ilO).
Trois paires de ressorts, représentant trois interrupteurs distincts , appuient contre la jante de la roue R. Ces interrupteurs sont réglés de telle manière que (A, A') concorde exactement avec (C, C), et alterne avec (B, B'). Lefil de retour F' est bifurqué en 0, communique d'une part avec le bouton C',et d'autre part avec le bouton B'. Les boutons C et B sont mis en communication avec les deux fils d'un galvanomètre différentiel G, et enfin chacun de ces flls avec la terre.
Supposons la roue à l'état de repos. — Si le circuit est fermé en (A, A'), il se trouve aussi fermé à l'autre extrémité, mais seulement par les lames (C, C) ; lé courant passe tout entier par le fil du galvanomètre en communication avec le bouton C, l'autre fil ne reçoit rien. — Si le circuit est ouvert en (A, A'), il est fermé à l'autre extrémité, mais seulement par les lames (B, B'); dans ce cas, d'ailleurs, le fil ne reçoit rien de la pilé.
Quand la roue R est en mouvement, le circuit est alternativement fermé et ouvert en (A, A') ; il est, au contraire, toujours fermé à l'autre extrémité de la ligne, tantôt en (C, G'), tantôt en (B, B'). Jl en résulte que le fil delà
£FFBTS MiCANIQUIS IT PHTSIQUBS DB L'ÉLECTRICITÉ. A 03
ligne reçoit par (A, A') une série de courants discontinus qui, au moment où ils arrivent à Fautre extrémité, trouvent toujours à s'écouler à travers legalvanomètre G, soit par (C, C% soit par (B, B'),
. >;v^?1l'N'<St'^ ^'V^^^>'>''S.^-^
Fig.4IO.
De ce que l'électricité met un temps appréciable à parcourir le fil de la ligne, et de ce que tout courant discontinu éprouve une diffusion en vertu de laquelle il occupe sur le conducteur plus de place au point d'arrivée qu'au
t\OU ÉLECTEICrri DYNAMIQUE.
point de départ, il résulte que, quelle que soit la vitesse de rotation de la roue, les courants lancés sur la ligne se partagent à l'autre extrémité du fil en deux portions généralement inégales, dont Tune arrive au galvanomètre par (C, G) et Tautrepar (B, B'j. L'aiguille est donc généralement déviée; le sens et l'étendue de la déviation traduisent le sens et l'intensité de la résultante des deux courants opposés qui traversent le galvanomètre. Prenons pour déviation positive celle dont le sens correspond h l'action d'un courant transmis au galvanomètre à travers l'interrupteur (C, G).
Pour une faible vitesse de rotation, la majeure partie du courant passe évidemment par (C, C), et la déviation de l'aiguille est positive. — A mesure que la vitesse s'accélère, la fraction d'électricité transmise par (C, G) et la déviation positive de l'aiguille diminuent ensemble. —Pour une certaine vitesse, le courant passe en proportions égales par (C, G) et par (B, B'j, et l'aiguille, sollicitée pour deux actions égales et de sens contraires, reste fixe sur le zéro de la graduation. — Pour une vitesse plus grande, la fraction du courant transmise par (B, B') l'emporte sur celle qui passe par (C, G) ; la déviation de l'aiguille change (le sens, et cette déviation négative augmente à mesure que le mouvement de la roue s'accélère.
Mais la vitesse de rotation devient assez grande pour que le temps employé par les lames métalliques des interrupteurs à passer sur une division de la roue soit égal au temps que l'électricité met à parcourir le fil de la ligne. Il est évident qu'alors le circuit est interrompu en (C, C/) et fermé en (B, B) au moment même où le courant ém
EFFETS MiCANIQUSS ST PHYSIQUES DE L'ÉLECTRICITÉ. AOS
en (A, A') commence à arriver à l'autre extrémité 0 du fil de retour. Dans ce cas, la fraction du courant transmise au galvanomètre par (B , B'), et la déviation négative de raiguille sont nécessairement, Tune et Tautre, un maximum. La longueur e du fil de la ligne et le nombre n des divisions égales de la roue sont connus ; si nous déterminons avec un compteur le nombre m de tours de rotation que la roue exécute en une seconde, au moment où la déviation négative de Taiguille est maximum, nous aurons nécessairement, pour déterminer la vitesse de transmission V de rélectricité :
« = emn.
Au lieu de maintenir la vitesse de rotation constante, accélérons graduellement le mouvement de la roue. L'aiguille passe alternativement d'un maximum de déviation négative à un maximum de déviation positive, et réciproquement. En comparant les deux appareils (Fig. 409, 410), il est facile devoir que Tinterrupteur (B, B) joue dans le second le même rôle que le fil de décharge D dans le premier. Dès lors la déviation négative maximum et la déviation positive maximum du second appareil représentent la déviation minimum et la déviation maximum du premier, et correspondent exactement aux mêmes vitesses de rotation delà roue R. D'ailleurs, avec cette nouvelle disposition comme avec la précédente, l'amplitude des oscillations diminue à mesure que le mouvement de rotation s'accélère.
Le grand avantage de cette dernière disposition de l'expérience est de permettre à l'aiguille du galvanomètre lî. 2:î.
d'osciller entre des limites beaucoup plus écartées, et de rendre l'observation plus facile.
Il résulte du travail de MM. Fizeau et Gounelle que :
!• Dans un fil de fer dont le diamètre est de /i millimètres, l'électricité se propage avec une vitesse de 100 000 kilomètres par seconde.
2° Dans un fil de cuivre dont le diamètre est 2'"",5, cette vitesse est de 180000 kilomètres par seconde.
3° Les deux électricités se propagent avec la même vitesse.
k^ Le nombre et la nature des éléments dont la pile est formée, et par conséquent la tension de l'électricité et XintensUé du courant, n'ont pas d'influence sur la vitesse de propagation.
5" Dans les conducteurs de nature différente, les vitesses de propagation ne sont pas proportionnelles aux conductibilités électriques.
6* Lorsque des courants discontinus se propagent dans un conducteur, ils éprouvent une diffusion en vertu de laquelle ils occupent un espace plus grand au point d'arrivée qu'au point de départ.
7* La vitesse de propagation paraît ne pas varier avec la section des conducteurs.
8** Si ce dernier principe est vrai, la vitesse de propagation ne change qu'avec la nature du conducteur, et les nombres précédents représentent les vitesses absolues du courant électrique dans le fer ^ le cuivre.
Les résultats de MM. Fizeau et Gounelle confirment ce que M. Wheatstone avait déjà dit (tome T, p. 171 et 172) de la vitesse dos deux électricités, et les idées qu'il avait
