ACTIONS MECANIQUES ET PHYSIQUES

1006. Frottement. — Nous pouvons revenir maintenant avec plus de précision sur l'électricité de frottement, dont il a déjà été question dès le début de cet ouvrage et à propos des machines électriques. Le fait général établi jusqu'à présent est que le frottement de deux corps développe sur chacun d'eux des quantités égaies d'électricités différentes.

Lorsque les corps frottés sont identiques, on ne parvient pas en général à les électriser; quand il se manifeste des traces d'électricité très-faibles, cela tient presque toujours à ce qu'il y avait pendant l'opération une certaine dissymétrie entre les deux corps, comme entre deux rubans de soie identiques placés en croix et qui sont ainsi frottés, l'un dans le sens de la longueur et l'autre dans le sens de la largeur. Avec la plupart des corps mauvais conducteurs, résine, verre, flanelle, soie, velours, liège, plumes d'oiseaux, on peut électriser par frottement deux morceaux de môme nature; la moindre différence cuire les températures établit un défaut de symétrie suffisant pour la manifestation de propriétés électriques différentes, et le corps le plus chaud prend en général de l'électricité négative. Quelques physiciens disent avoir quelquefois obtenu la même électricité sur les deux corps frottés, Bergman par exemple avec deux plumes d'oie, Faraday avec deux bandes de flanelle ; mais il devait y avoir dans l'expérience des causes d'erreur inaperçues, telles

que des zones d'électricités différentes sur chacun des deux corps, parce qu'un pareil résultat serait en contradiction absolue avec l'ensemble des phénomènes observés.

1007. Frottement des métaux. — Considérons d'abord le

frottement de deux corps conducteurs, deux métaux. L'électricité qui se produit alors n'atteint pas un potentiel élevé et ne donne pas à l'électroscope de déviation appréciable, mais on peut la mettre en évidence avec un galvanomètre. M. Becquerel (l) soudait à une plaque de métal, normalement à son plan, une tige reliée au fil d'un galvanomètre, et couvrait les points de jonction d'un bourrelet de mastic, afin d'éviter les actions thermoélectriques dues à réchauffement des soudures. En posant l'une sur l'autre deux plaques semblables de métaux différents à la môme température, il n'y avait aucun courant, mais le moindre frottement provoquait une déviation de l'aiguille.

M. Becquerel a formé une classification des métaux, d'après la facilité plus ou moins grande qu'ils avaient de prendre de l'électricité positive ou négative par frottement, et cette classification s'est trouvée presque identique à la liste qu'il avait donnée lui-même (942) pour les propriétés thermoélectriques des métaux; il paraît donc naturel d'admettre que les phénomènes soient de même nature, le frottement des plaques étant assez grand pour produire un échauffement sensible. Toutefois , M. Becquerel ne pense pas que le rôle du frottement se borne à un simple dégagement de chaleur. Pour appuyer son opinion, il fait remarquer qu'en frappant l'une contre l'autre et à coups redoublés des lames de bismuth et d'antimoine, sans frottement latéral, on n'obtient pas de courant appréciable. D'autre part, quand on frotte deux cylindres de fer et de cuivre, soit d'une manière quelconque, soit un même point du fer par une génératrice du cylindre de cuivre ou inversement, l'intensité du courant ne change pas, bien que les quantités de chaleur dégagées sur le point frotté sont très-différentes.

Ces deux expériences ne suffisent pa? pour justifier l'interprétation de M. Becquerel. L'intensité du courant produit par réchauffement do deux métaux dépend, non de la quantité totale

[*) Annales de Chimie et de Physique^ 2" série, t. XXXVIII, p. 113.

de chaleur dégagée, mais uniquement de la température des surfaces en contact. Quand on frotte deux cylindres métalliques, la chaleur ne s'accumule guère au point de contact, même quand ce point ne change pas, et toute celle qui provient de frottements antérieurs au moment que Ton envisage se dissipe rapidement par conductibilité. Dans le cas de la percussion, le circuit n'est fermé que pendant un temps très-court à chacun des chocs et il n'est pas démontré que la température soit plus élevée que par le frottement.

1008. M. Gaugain(J) a montré par l'expérience suivante, qui parait tout à fait démonstrative, que le frottement des métaux donne de véritables courants thermoélectriques.

Sur une lame de fer F (fig. 295) communiquant par un fil de

Fig. 295.

fer/ avec un galvanomètre G, il frotte un petit disque de cuivre C relié au même galvanomètre par un fil de cuivre c; on obtient ainsi un courant dû au frottement des deux métaux. En même temps un fil de fer/', encastré dans l'axe du disque de cuivre et soudé sur la face inférieure, est relié au disque par un galvanomètre G', et constitue un couple thermoélectrique : le courant indiqué par ce galvanomètre dépend uniquement de la température acquise par la soudure pendant le frottement. La lame de fer et le disque de cuivre sont portés par des cadres en bois et dirigés par des tiges de bois, de manière à éliminer toute autre cause d'échauffement ; on observe alors les déviations 1 et Y des aiguilles dans les deux galvanomètres.

L'équilibre de température s'établit assez rapidement entre le petit couple thermoélectrique et les surfaces frottées, mais non instantanément. Quand on accélère le frottement, la déviation I du premier galvanomètre croît plus rapidement que celle du se-

(*) Annales de Chimie et de Physique, 4* série, t VI, p.' 31,

cond, et elle diminue aussi moins vite quand le frottement se ralentit ; mais, en frottant d'une manière uniforme, les aiguilles arrivent bientôt à un état stationnaire.

On échauffe ensuite la plaque de fer et le couple en les plongeant dans de l'eau tiède à une température telle que la déviation du premier galvanomètre prenne encore la valeur I qu'elle avait acquise par le frottement ; on constate alors que la déviation I" du second est très-voisine de F. La différence I" — F est tantôt positive, tantôt négative, mais toujours très-faible, et la moyenne d'un grand nombre d'observations s'est trouvée sensiblement nulle. Pour une môme intensité de courant obtenu dans le premier galvanomètre G, par frottement ou par un échauffement direct, la température des surfaces en contact est donc exactement la même, et l'on est en droit d'en conclure que le dégagement de chaleur dû au frottement est la seule cause du courant électrique. Erman (*) avait déjà constaté que l'effet d'un frottement est toujours semblable à celui d'une addition de chaleur, mais il croyait voir dans le phénomène une vibration des molécules d'une forme particulière.

M. Becquerel a obtenu également des courants électriques en frottant un bouton métallique sur une lame du môme mélaL Avec le bismuth, l'antimoine, le fer et le platine, le bouton devient positif par rapport à la plaque ; l'inverse a lieu avec le cuivre, et de légères différences clans l'état des surfaces métalliques peuvent modifier beaucoup les résultats. Ce sont là des effets entièrement analogues aux courants thermoélectriques que l'on obtient par réchauffement de deux portions d'un même métal qui se touchent, et l'influence des couches superficielles parait de même ordre dans les deux cas.

1009. On peut aussi rendre sensible à un électroscope l'électricité produite par le frottement des métaux. Pour cela, Singer plaçait de la limaille de zinc dans une capsule de cuivre percée de trous. Tenant ensuite la capsule par un manche isolant, il tamisait la limaille de cuivre et la faisait tomber sur un plateau en communication avec un électroscope. M. Becquerel a reconnu qu'il vaut mieux maintenir le cuivre en communication avec le

(*) Archives de l'électricité, l. V, p. 477 (1845).

sol, pour qu'il soit constamment à l'état neutre; en outre, le crible est incommode à cause de la nécessité de le nettoyer souvent et peut être supprimé sans inconvénient. Il suffit de projeter la limaille sur une lame inclinée que l'on tient à la main, d'où elle tombe ensuite sur une plaque qui communique avec un électroscope très- sensible. M. Becquerel a constaté ainsi qu'une limaille métallique est généralement négative par rapport au métal lui-même, et que le frottement d'une limaille contre un métal différent donne à peu près les mêmes effets électriques que le contact direct des deux métaux : ainsi la limaille de cuivre est négative avec le zinc, le plomb, l'étain, le fer, le bismuth, l'antimoine, et sensiblement neutre avec le platine, l'or et l'argent. Le sens des résullats est celui que permettaient de prévoir les propriétés électriques des différents métaux. De même , les oxydes métalliques et les sulfures sont en général négatifs par rapport aux métaux correspondants. Dans le cas des limailles et des poussières, l'élévation de température due au frottement ne paraît pas jouer un rôle important dans le phénomène ; on ne doit y voir qu'un moyen simple de mettre en évidence l'électricité de contact entre les métaux. Nous avons déjà indiqué une expérience analogue de M. Thomson (891).

1010. Frottement des corps isolants. — NOUS n'insisterOllS

pas d'une manière particulière sur le frottement entre les corps mauvais conducteurs, parce que l'absence complète de conductibilité nuit beaucoup à l'étude des phénomènes. En général, on obtient alors une grande quantité d'électricité. Comme les surfaces directement en contact sont très-peu étendues et que l'électricité reste dans le voisinage des points où elle s'est développée, on doit en conclure que ce genre de contact donne lieu à des différences de potentiel considérables par rapport à celles qui se produisent entre les métaux. Les classifications que l'on peut établir entre les corps isolants, dont nous avons indiqué quelques exemples (15), n'ont d'ailleurs rien d'absolu et sont modifiées par une foule de circonstances.

1011. Frottement des métaux avec les corps isolants. — Le

frottement des métaux avec les corps mauvais conducteurs se prête à une étude plus complète. Cavallo avait constaté que les métaux sont négatifs avec la plupart des substances, même la cire

d'Espagne; mais ce résultat n'est pas général. Haùy, en Trottant les métaux avec une étoffe de laine, trouva l'argent, le plomb, le cuivre, le zinc, le bismuth positifs, et la plupart des autres métaux négatifs. Faraday (l), ayant frotté le fer, le cuivre, le laiton, l'étain, l'argent et le platine avec treize substances différentes, observa toujours que les métaux étaient négatifs, excepté avec le soufre qui parut les électriser tous positivement. Les résultats obtenus par différents physiciens présentent d'ailleurs de trèsgrandes divergences.

Nous avons déjà vu, à propos des machines électriques et des expérience de Péclet en particulier, que le frottement des métaux avec les corps mauvais conducteurs établit entre les surfaces en contact une différence de potentiel déterminée. Ce principe parait tellement absolu que la plupart des circonstances qui peuvent modifier le contact, telles que la pression, la vitesse et la nature du frottement, n'altèrent pas la différence de potentiel. Nous trouverons encore à ce sujet, dans les travaux de M. Gaugain, plusieurs expériences intéressantes.

1012. M.. Gaugain a cherché d'abord à classer les métaux d'après leurs propriétés électriques par rapport au frottement. Comme la plupart des métaux sont négatifs avec la gutta-percha et positifs avec le soufre, on conçoit qu'il est possible de mélanger le soufre et la gutta-percha en proportions convenables, de manière à obtenir des corps qui jouissent de toutes les propriétés électriques intermédiaires à celles de ces deux substances. Il suffit, pour cela, de frotter un disque de gutta-percha pendant un temps plus ou moins long avec de la fleur de soufre ou du soufre en canon. Les modifications que subit la gutta-percha par cette opération sont assez instables, et le frottement prolongé d'un métal ne tarderait pas à les détruire; mais il suffit qu'elles persistent assez longtemps pour que l'on puisse obtenir huit à dix fois les mêmes résultats.

Si, par le frottement de deux métaux A et B sur une môme substance isolante, l'un d'eux A prend de l'électricité positive et l'autre B de l'électricité négative, on peut en tirer cette conséquence, au moins très-probable, que le premier métal A est po-

(l) Expérimental Researches, t. II, p. 124.

518 TRAITÉ D'ÉLFXTRICITÉ STATIQUE,

sitif par rapport au second. M. Gaugain est parvenu, par une suite de tâtonnements, à dresser la liste suivante, dans laquelle chacun des corps est positif par rapport à ceux qui le suivent et négatit par rapport à ceux qui le précèdent.

Aluminium.

Gutta-percha n° 1.

Plomb, Cadmium, Zinc.

Gutta-percha n° 2.

Fer, Étain.

Gutta-percha n° ô.

Cuivre, Bismuth.

Gutta-percha n° 4.

Antimoine.

Caoutchouc vulcanisé.

Argent.

Gutta-percha n° 5.

Platine.

Guita-percha n° G. Mercure, Or, Palladium.

La gutta-percha n° 6 était dans l'état où la fournit le commerce ; celle qui porte le n° 5 avait été recouverte d'une couche de vernis à la gomme laque, et les autres frottées plus ou moins longtemps avec du soufre. Ces différentes substances formaient des disques de 7 centimètres environ de diamètre. On les frottait avec des fils métalliques que l'on tenait à la main ; on déterminait ensuite l'état électrique du disque isolant, en posant sur sa surface un petit plateau de métal que Ton électrisait par influence, comme dans l'électrophore, puis on examinait l'état de ce plateau avec un électroscope.

1015. La liste de M. Gaugain présente une certaine analogie avec la classification des métaux au point de vue de l'électricité de contact (896), mais il s'y manifeste quelques inversions, en particulier pour le cuivre et le mercure. M. Gaugain a montré, en effet, que la méthode de classification des mélaux par les corps isolants n'est pas rigoureuse ; ce genre de contact n'obéit pas à la loi de Volta et paraît plutôt comparable aux contacts des métaux avec les liquides, dans lesquels on rencontre aussi des cas d'inversion tout à fait de même ordre.

Ainsi Faraday a constaté que le couple formé par des lames de plomb et d'étain, plongées dans de l'acide azotique, a son pôle positif sur l'étain, tandis que. si l'on remplace l'acide azo-

tique par de l'acide chlorhydrique, c'est la lame de plomb qui forme le pôle positif. Ces expériences ne sont pas contradictoires ; elles prouvent seulement que les tensions de contact, satisfont aux inégalités suivantes :

Vb | Sn -h Sn | AsO5 4- AsO5 1 Vb > o, Vb l Sn h- Sn | HCJ + HCZ \Pb < o,

lesquelles n'ont rien d'impossible, puisque ce genre de contacts n'obéit pas à la loi de Volta.

Le frottement des métaux contre les corps isolants peut donner des résultats analogues. Ainsi, dans les expériences de M. Gaugain, le fer prenait de l'électricité positive et le bismuth de l'électricité négative, par leur frottement sur un certain disque de gutta-percha soufré, de sorte qu'en désignant par G ce mélange, on avait pour les tensions de contact

Fe|G>o et G|Bï>o.

Mais les mêmes métaux se comportaient d'une manière inverse par rapport à la gomme laque L, et l'on avait, au contraire,

Fe|L<o et L|Bi<o.

Ces conditions ne sont pas encore contradictoires ; elles montrent de môme que la loi de Volta n'est pas applicable, et que la méthode de classification employée ici par M. Gaugain ne peut que donner des indications probables pour ce qui concerne le contact des métaux entre eux.

1014. La difficulté de constater l'état électrique d'un corps mauvais conducteur ne permet guère de vérifier directement que le frottement de ces corps avec les métaux est caractérisé par une différence déterminée entre le potentiel du métal et celui de la couche isolante au point de contact ; mais plusieurs conséquences de ce principe sont vérifiées par expérience.

Ainsi, quand on frotte pendant longtemps un fil de zinc non isolé sur un disque de gomme laque, primitivement à l'état neutre, le zinc se charge d'électricité positive, et l'équilibre est établi lorsque le disque de gomme laque possède une certaine charge négative égale à — E. Si le disque est primitivement chargé d'électricité positive, ou d'une quantité d'électricité négative plus faible que E, le fil de métal prend encore de l'élec-

tricité positive, et le disque atteint au bout d'un temps plus ou moins long la môme charge limite. Enfin, si le disque a d'abord une charge négative plus grande que E, le fil de métal s'électrise cette fois négativement, et ramène encore le disque à la même charge limite. L'état final des deux corps frottés est donc complètement indépendant de l'état initial, quand le fil est toujours à un potentiel nul.

Si le métal, au contraire, est maintenu dans deux expériences successives à des potentiels -+- V et — V, égaux et de signes contraires, et si le disque isolant est amené chaque fois à l'état de saturation, la charge de ce disque devra être augmentée dans le premier cas et diminuée dans le second d'une même quantité, de façon que la différence des potentiels des corps frottés reste la même. Pour le démontrer, M. Gaugain met un fil de platine en communication avec un grand condensateur et un électroscope A; puis, manœuvrant ce fil au moyen d'un manche isolant, il l'emploie à frotter d'une manière méthodique un disque de gomme laque, en y traçant des séries de lignes parallèles croisées, de manière à couvrir toute la surface. Il détermine enfin la charge du disque au moyen d'un plateau métallique, qu'il met ensuite en relation avec un électroscope à cadran B, préalablement ramené à l'état neutre. La divergence des feuilles permet d'évaluer , d'une manière approximative, le potentiel du plateau et, par suite, le potentiel du disque de gomme laque. Voici les résultats d'une pareille expérience :

DÉVIATION I'ÉVIATK»'