Appareils de ML Thomson. — L'influence électrique et

les réactions réciproques ont servi de principe à la construction d'un assez grand nombre d'appareils; nous en indiquerons quelques-uns imaginés par M. Thomson (l).

Le reproducteur de charge qui a été décrit à propos de l'électromètre absolu (284) peut, avec quelques modifications destinées à augmenter le débit d'électricité, être transformé en une véritable machine électrique.

Une roue C (fig. 259) en ébonite porte un certain nombre de lames métalliques isolées , disposées en secteurs sur les deux faces et figurant à la circonférence comme des dents d'engrenage. Deux lames métalliques I et R, recourbées de façon à envelopper presque complètement la moitié de la roue (l'une d'elles est indiquée seulement par un pointillé), jouent en même temps le rôle d'inducteur et de récepteur, c'est-à-dire qu'elles agissent par influence sur un conducteur intermédiaire F et reçoivent ensuite, par l'effet du mouvement, l'électricité ainsi développée ; il en rc-

(l) Reprint of papers, p. 350.

suite que la charge de chacune d'elles augmente d'abord en progression géométrique, comme dans tous les appareils analogues. Pour cela, deux ressorts récepteurs i et r, communiquant séparément avec les enveloppes métalliques dans l'intérieur desquelles ils sont placés, reçoivent l'électricité apportée par les différents secteurs et la communiquent en totalité aux enveloppes correspondantes. Deux autres ressorts i' et r', dits connecteurs , placés à la suite des précédents dans le sens de la rotation de la roue, communiquent entre eux par un fil métallique F.

Supposons que l'un des inducteurs, I par exemple, soit d'abord chargé d'électricité négative; le ressort connecteur correspondant i' se charge d'électricité positive qu'il communique aux dents successives de la roue, lesquelles, par le ressort récepteur sui-

Fig. 259.

Fis- 240.

vant r, transmettent cette électricité au deuxième inducteur R. Le ressort connecteur opposé r' se charge de môme d'électricité négative, qui revient ensuite par les secteurs et par le ressort récepteur i au premier inducteur I.

Dans l'instrument (fig. 240) construit par M. Thomson, la roue n'avait pas plus de 2 pouces de diamètre et pouvait être mise en mouvement par le moteur d'un télégraphe de Morse ; mais, quelques secondes seulement après la mise en train, il se produisait des aigrettes brillantes et des étincelles entre les différentes partics de l'appareil, même lorsque les inducteurs et les connecteurs avaient été réunis entre eux pendant plusieurs jours et déchargés avec le plus grand soin.

Une pile sèche de 40 éléments, dont les deux pôles étaient mis en communication séparément avec les deux inducteurs, suffisait pour charger la machine ou renverser subitement les signes électriques.

Cet appareil a servi à M. Thomson, par exemple, pour entretenir la marche constante d'une autre machine plus simple destinée à recueillir les signaux du câble transatlantique. Celle-ci était formée d'un inducteur I sans ressort récepteur, dans l'intérieur duquel était un ressort ï en communication avec le sol, et d'un récepteur R avec son ressort r. L'inducteur I étant maintenu à un potentiel constant, les dents de la roue se chargeaient d'électricité contraire, au contact du ressort i\ et transportaient constamment cette électricité au récepteur R, dont la charge allait ainsi continuellement en croissant.

859. Égaliseurs de potentiel. — On rencontre dans toutes les machines électriques un même problème à résoudre, c'est d'amener deux corps au même potentiel ou, plus exactement, d'établir sur un conducteur le potentiel qui existe en certains points de la masse d'air qui l'environne.

Quand un corps conducteur, comme un cylindre isolé, est soumis à l'influence d'un corps électrisé positivement, placé en face de Tune de ses extrémités, ce cylindre forme une surface de niveau, et le potentiel varie plus ou moins rapidement quand on s'éloigne de la surface suivant différentes directions. En tous les points de la ligne neutre la dérivée du potentiel est nulle, puisque la densité électrique est nulle ; ces points sont donc au même potentiel que les couches d'air qui les entourent. Si, par un procédé quelconque, on enlève la couche d'électricité négative, de façon que la ligne neutre, ou de densité nulle, passe par l'extrémité la plus rapprochée du corps influent, le cylindre tout entier atteindra un potentiel maximum, celui des couches d'air qui touchent cette extrémité. On obtient habituellement ce résultat dans les machines électriques par l'emploi des pointes ; mais une pointe ne peut jamais être assez aiguë physiquement pour être absolument efficace au point de vue électrique, et elle conserve toujours une densité sensible d'électricité contraire à celle du corps influent. On peut arriver, par divers moyens, à rendre cette densité nulle.

Supposons, par exemple, dans le cas du cylindre considéré plus haut, que Ton touche l'extrémité la plus voisine du corps influent par un plan d'épreuve qu'on ramène à l'état neutre après Tavoir enlevé, et que cette opération soit répétée un grand nombre de fois ; il arrivera, au bout d'un certain temps, que ce plan d'épreuve aura soustrait du point touché toute électricité appréciable, comme l'eût fait une pointe infiniment aiguë; si le corps influent est conducteur, le cylindre atteindra un potentiel maximum qui sera une fraction déterminée de celui du corps influent.

860. L'appareil suivant employé par M. Thomson pour certaines expériences d'éleclrométric fonctionne ainsi comme une suite de contacts par un plan d'épreuve. Un disque d'ébonite C (fig. 241), tournant autour d'un axe vertical, porte un certain nombre de boutons ou de chevilles de métal sur lesquels s'appuient deux ressorts R et R' en communication avec les deux électrodes d'un électromôtre. Si l'un de ces ressorts est soumis à l'influence d'un corps électrisé , les boutons qui s'en détachent successivement emportent d'une

manière continue l'électricité de signe contraire à celle du corps influent, jusqu'à ce que la densité électrique à l'extrémité du ressort soit nulle. Si les deux ressorts sont en même temps soumis à l'influence de deux conducteurs à des potentiels différents, l'équilibre sera atteint au bout d'un certain temps, et assez rapidement, parce que l'électricité enlevée à l'un des ressorts est portée sur l'autre ; la différence de potentiel des deux ressorts ou des deux électrodes de l'électromètrc sera proportionnelle à celle des deux corps influents. Il suffit, par exemple, d'approcher de cet appareil, à la distance de plusieurs pouces, un cristal de tourmaline PN que l'on a échauffé et qu'on laisse refroidir (on

300 TRAITE D'ELECTRICTTE STATIQUE.

sait que, dans ces conditions, l'une des extrémités du cristal P devient positive et l'autre N négative), pour que, dans un électromètre dont la graduation permet d'apprécier la différence de potentiel de 5 éléments de Volta, la déviation de l'aiguille sorte des limites de l'échelle.

8G1. On conçoit d'ailleurs que des particules conductrices quelconques, des poussières métalliques, des gouttelettes liquides ou même un courant de gaz chauds, qui s'échapperaient du conducteur influencé, produiraient exactement le môme effet que les contacts répétés d'un plan d'épreuve. C'est ainsi que s'explique l'efficacité des flammes, employées comme pointes électriques, et l'usage qu'on en a fait dans l'étude de l'électricité atmosphérique. Si un conducteur isolé est mis en communication avec une flamme placée dans l'air, les produits gazeux de la combustion laissent échapper de l'électricité jusqu'à ce que le potentiel de la flamme et du conducteur avec lequel elle communique soit égal au potentiel de la masse d'air qui entoure cette flamme. Le P. Beccaria, et après lui Volta, munissaient déjà la tige de leurs électroscopes d'une mèche enflammée, et la même méthode a été depuis renouvelée par M. Thomson. Toutefois, l'emploi d'une flamme présente quelques inconvénients, à cause de la nécessité de l'entretenir pendant un temps assez long, et à cause de l'électricité qui peut se produire par le fait môme de la combustion. M. Thomson a résolu le même problème par un écoulement d'eau. Pour étudier l'électricité atmosphérique, par exemple, l'électromôtre est mis en communication avec un vase isolé contenant une provision d'eau, qui s'échappe en petites gouttelettes par un tube conducteur; l'appareil tout entier est bientôt porté au potentiel des couches d'air situées à l'entour de l'orifice d'écoulement.

862. Dans le cas où le corps influent est conducteur, on peut se proposer d'établir sur le corps influencé un potentiel égal à celui du corps influent, sans les mettre en communication entre eux, et l'on y parviendra par la méthode des contacts successifs ou des écoulements. Il suffit, pour cela, que le point du corps influencé, dont se détachent des particules conductrices, soit enveloppé aussi complètement que possible par le corps influent; lorsque la densité électrique sera nulle en ce point, le potentiel

DES MACHINES ELECTRIQUES. 501

ne dépendra plus que de l'électricité répandue sur le conducteur influent et sera le même dans tout l'espace enveloppé. On aura alors réalisé un égaliseur de potentiel absolu.

Ainsi, dans la première machine de M. Thomson (fig. 259), si l'on suppose que le ressort i de l'inducteur I soit enlevé et le ressort i' mis en communication avec un conducteur isolé, le ressort r' supprimé et le récepteur R mis en communication avec le sol, et enfin l'inducteur I porté à un certain potentiel, les contacts enlèveront de l'électricité au ressort i' jusqu'à ce que le potentiel de ce ressort soit devenu égal à celui de l'inducteur. De môme, dans la seconde machine (fig. 241), si les ressorts R et R' sont enveloppés séparément par des conducteurs A et A' entre lesquels existe une certaine différence de potentiels, l'appareil ne cessera de fonctionner que lorsque chacun des électrodes de l'électromètre aura atteint un potentiel égal à celui du conducteur influent qui lui correspond.

M. Thomson place encore une lampe à alcool en métal dans l'intérieur d'un cylindre vertical électrisé. Les gaz chauds qui s'échappent de la flamme amènent rapidement la lampe, et les conducteurs avec lesquels elle communique, au même potentiel que celui du cylindre influent. Enfin, l'écoulement d'un liquide produira exactement le même effet, et M. Thomson en a profité pour construire une machine électrique singulière.

oOO. Machine électrique à écoulement. — Conce-

vons qu'un tube métallique T (fig. 242), communiquant avec le sol, soit placé dans l'intérieur d'un cylindre de métal I que nous appellerons Yinducteur, porté à un potentiel négatif; ce tube s'électrise positivement, et si on laisse échapper des gouttelettes liquides, elles emporteront de l'électricité contraire qui se reproduira indéfiniment. Ces gouttes tombent dans un autre cylindre de métal R, le récepteur, qui porte dans l'intérieur un entonnoir dont le bec s'ouvre au milieu du cylindre ; l'électricité des gouttes se répand à la surface du récepteur, et elles s'écoulent ensuite à l'état neutre par le bec de l'entonnoir. La charge du récepteur augmente donc de plus en plus, jusqu'à ce que l'appoint électrique des nouvelles

Fis. 212.

gouttes soit équilibré par les pertes, ou bien qu'il se produise des étincelles entre les deux cylindres, ou encore que les gouttes électrisées qui s'échappent de l'orifice du tube T ne tombent plus dans le récepteur, parce qu'elles sont rejetées latéralement par la répulsion électrique qu'elles en éprouvent.

Dans les conditions actuelles, il est nécessaire d'entretenir le potentiel de l'inducteur I par une source étrangère; mais on

Fig. 243.

conçoit aisément que deux appareils semblables puissent être disposés de façon à réagir l'un sur l'autre et augmenter réciproquement leurs charges électriques. 11 suffit, pour cela, que le récepteur R (fig. 245) du premier communique avec l'inducteur V du second, et le récepteur R' du second avec l'inducteur 1 du premier; les gouttes qui tombent du second inducteur 1' sont

alors chargées d'électricité négative que l'on recueille dans le récepteur R', lequel augmente la charge du premier inducteur I. M. Thomson réunit en outre les deux conducteurs séparément avec les armatures intérieures de deux bouteilles de Leyde A et B. Ces bouteilles sont formées de bocaux cylindriques en flint de Glascow garnies d'étain à l'extérieur et renfermant une certaine quantité d'acide sulfurique concentré ; dans le liquide plongent des tiges de plomb terminées par des plaques de plomb à la partie inférieure. Ces tiges sont entourées de tubes de verre et passent à travers un couvercle en ébonite, de sorte que l'air absolument sec renfermé dans la bouteille n'éprouve pas d'échanges avec l'atmosphère. Si le verre est de bonne qualité, l'isolement de ces bouteilles peut être assez parfait pour que la perte électrique ne dépasse pas un centième de la charge en trois ou quatre jours.

Dans ces conditions, d'après M. Thomson, l'une des bouteilles étant électrisée à un potentiel assez faible pour n'être appréciable que par un électromètre très-délicat, on ouvre les robinets pour laisser écouler l'eau goutte à goutte ; on voit alors ces gouttes se subdiviser en gouttelettes très-petites qui se séparent par leurs répulsions réciproques. Au bout de quelques minutes, il se produit en quelque partie de l'appareil une succession rapide d'étincelles, ou bien le liquide qui tombe n'entre plus dans les récepteurs. Les gouttes sont alors rejetées latéralement et produisent l'effet d'un tourbillon de neige, comme si elles étaient soustraites à la pesanteur; les unes remontent et s'appliquent à la surface extérieure des inducteurs, les autres décrivent des courbes bizarres et sont lancées à une assez grande distance. On évite en partie cet inconvénient en garnissant les récepteurs de tubes de verre qui forment entonnoirs.

La valeur dynamique de l'électricité ainsi produite provient de l'énergie du liquide qui tombe ; elle serait égale au travail de la pesanteur sur les gouttes liquides pendant leur trajet, si ces gouttes arrivaient aux récepteurs avec une vitesse nulle, et elle correspond exactement à leur perte de force vive. La déperdition était tellement faible dans l'appareil de M. Thomson, qu'il pouvait rester électrisé pendant des années à l'aide d'un écoulement de liquide insignifiant; une seule goutte, par exemple, tom-

bant de chaque tube toutes les trois minutes, était suffisante pour maintenir la charge constante.

864. Il y a d'ailleurs une relation très-simple entre les constantes de la machine et le nombre des gouttes qui doivent s'écouler pendant l'unité de temps, pour que la charge électrique aille en augmentant à partir du début de l'expérience. Soient G et C les capacités électriques des deux conducteurs, y compris les armatures intérieures des bouteilles correspondantes, V et V leurs potentiels en valeurs absolues, m et m' les coefficients de déperdition, n et n' le nombre des gouttes qui tombent pendant l'unité de temps, c et c' les capacités électriques des gouttes de chaque système au moment où elles se détachent.

Pendant un temps infiniment petit dt, l'accroissement de charge du conducteur C est. égal à l'excès de l'électricité apportée par les gouttes sur celle qui se perd ; on aura donc, en admettant la loi de déperdition de Coulomb,

Cd\= (n'c'V— mV)<ft, ou bien

(1) C^=:(nVV/ — mV).

On aura, de même, pour l'autre conducteur C,

(2) C' i^ncV — m'V'.

En résolvant ces équations différentielles simultanées par la méthode ordinaire, on calculerait la valeur acquise par les potentiels V et V au bout d'un temps quelconque, en partant d'une valeur initiale donnée; mais il faudrait, pour cela, supposer que la loi de déperdition de Coulomb est toujours applicable et que l'écoulement est constant. Comme les charges deviennent rapidement très-grandes , le raisonnement est bientôt en défaut ; on peut donc se borner à déterminer la condition nécessaire pour que la charge aille en croissant. Il faut alors que les dérivées des potentiels soient positives, ce qui donne

n'c'Y — raV>0, nc\ — m'V> 0;

on en déduit

m V ^ ne

ou bien

(o) nn'cc' << mm' .

Si colle dernière condition est réalisée au début (et l'on voit qu'elle ne dépend pas de l'électrisation initiale), la charge de la machine ira en croissant jusqu'à ce qu'il se produise des étincelles, ou que les gouttes cessent de tomber dans les récepteurs. Si l'inégalité (5) avail lieu en sens contraire, la charge irait au contraire en diminuant et deviendrait rapidement nulle.

Si l'appareil est complètement symétrique, la condition d'accroissement de charge est simplement

(4) nc<^m.

Ce mode de raisonnement s'applique de la même manière à tous les multiplicateurs d'électricité à influences réciproques, comme le moulinet de Nicholson, la machine de Tœpler et les machines de Iloltz. On remarquera peut-être que l'inégalité de condition (4) ne renferme pas les capacités des conducteurs, tandis que l'expérience montre que ces capacités jouent un rôle important; mais l'emploi des bouteilles de Leyde a surtout pour effet de diminuer le coefficient de déperdition m, de sorte que ces bouteilles interviennent ainsi d'une manière efficace dans le jeu des machines.

ATPAIIEILS D INDUCTION.

8C5. Kescriiuion. — Les bobines d'induction ne sont pas des instruments d'électricité statique, si on les envisage au point de vue des principes sur lesquels elles reposent, mais elles produisent exactement les mêmes effets que les machines électriques ordinaires, avec lesquelles elles sont presque entièrement comparables. Ainsi, un appareil d'induction peut encore être défini par la quantité d'électricité qu'il débite pendant l'unité de temps ii 20

et par la différence maximum de potentiels qu'il permet d'établir sur deux conducteurs.

Rappelons qu'un appareil d'induction se compose d'une bobine de fil conducteur assez gros, dans lequel on fait passer le courant d'une pile, et d'une bobine de fil plus fin qui entoure la première, et dans laquelle se produit un courant d'induction toutes les fois que le courant principal est interrompu ou établi. Dans l'axe des bobines est un paquet de fils de fer qui s'aimantent ou se désaimantent, par l'établissement ou la suppression du courant dans la bobine inductrice, et augmentent l'énergie des courants induits. Si le fil induit est fermé, les deux courants induits, inverse et direct, se propagent tous deux et ne donnent pas d'effets d'électricité statique ; mais, si le fil induit est interrompu par un intervalle suffisant, le courant direct, qui a plus d'intensité et une durée moindre, est seul capable de franchir l'interruption, de sorte que l'une des extrémités du fil induit donne de l'électricité positive, et l'autre de l'électricité négative ; ce sont les deux pôles de la bobine.

Pour compléter l'appareil, il faut encore ajouter : 1° un interrupteur qui produit automatiquement les interruptions du courant inducteur; 2° un commutateur, qui permet de changer à volonté le sens du courant inducteur, et par suite, de permuter les pôles du fil induit; 5° un condensateur sur le fil inducteur, dont l'idée est due à M. Fizeau, qui augmente beaucoup la puissance des décharges.

Dans les bobines de petites dimensions, dont les étincelles ne dépassent pas 5 ou 10 centimètres, on n'emploie, en général, qu'une seule pile. Le courant qui vient de la pile passe d'abord par un commutateur dont le jeu est commandé par l'aimantation et la désaimantation du fer doux; c'est habituellement une lame vibrante par laquelle le circuit de la pile est fermé à l'aide de deux contacts en platine; Cette lame porte un morceau de fer qui est alors attiré par le noyau aimanté de la bobine ; la lame s'infléchit, détache les contacts et rompt le circuit inducteur ; l'attraction du noyau cesse alors, et la lame revient à sa position primitive où elle ferme le circuit, etc.

Dans les machines de plus grandes dimensions, alimentées par 8 ou 10 couples de Bunsen à grande surface, on fait marcher

l'interrupteur par une petite pile auxiliaire, et l'on produit l'interruption dans une couche d'alcool ou d'eau, entre une pointe de platine et un bain de mercure. Cette disposition, qui est due à Foucault, donne une rupture du courant plus brusque et des étincelles faibles, tandis que si l'interruption avait lieu dans l'air entre des pièces métalliques, les étincelles ne tarderaient pas à détériorer les surfaces et à empêcher toute marche régulière. La ligure 244 représente l'ensemble d'une grande bobine d'induction. Les deux fils G et D, mis en communication avec une pile de 2 éléments, commandent un petit électro-aimant qui fait

vJUmtt.

Fis. U i.

osciller l'interrupteur destiné à ouvrir et fermer le circuit principal. Les deux fils E et F communiquent avec une pile composée d'une dizaine de couples de Bunsen. Enfin les deux extrémités du fil induit sont reliées à deux pièces métalliques A et B portées par des pieds en verre ; on met ces deux pôles en communication par des fils avec les appareils sur lesquels on veut provoquer les décharges.

Au moment où se produit la décharge d'induction, il s'éta blit entre les extrémités du fil induit une différence de potentiel considérable ; comme l'induction s'exerce sur toute la longueur du fil, le potentiel à ce moment varie d'une manière continue

d'un pôle à l'autre. Dans les bobines ordinaires, le fil induit forme plusieurs couches successives superposées les unes aux autres et séparées par des substances isolantes. Avec cette disposition, certaines portions du fil dont les potentiels sont très-différents se trouvent très-rapprochées, et il peut s'y produire des décharges au travers des matières isolantes interposées. Pour éviter ces décharges intérieures qui limitent bientôt les étincelles que l'on peut obtenir entre les pôles, on a imaginé depuis quelques années de cloisonner la bobine induite. On divise cette bobine dans sa longueur en un certain nombre de parties par des cloisons en verre; chaque région est remplie par plusieurs couches successives du fil induit qui passe ensuite dans la région voisine, de sorte qu'il n'existe entre les différents points des couches superposées qu'une différence de potentiel assez faible, et l'on risque moins de percer les matières isolantes.

Les grandes bobines que construit M. Ruhmkorff ont environ 60 centimètres de longueur et 120 kilomètres de fil induit; elles peuvent donner des étincelles de 45 centimètres. L'Institut polytechnique de Londres (l) possède une bobine qui a 5 mètres de longueur ; le noyau en fil de fer pèse 46 kilogrammes, il est entouré d'un fil inducteur de 5450 mètres de longueur qui pèse 54 kilogrammes. Le fil induit a 241 kilomètres de longueur sur un diamètre de fa de millimètre. La bobine est excitée par 40 couples Bunsen; elle donne des étincelles de 74 centimètres, qui paraissent avoir près de 2 centimètres de diamètre et percent 127 millimètres de verre. Trois étincelles suffisent pour charger une batterie de 40 pieds carrés.