ÉLECTROMOTRICE
DE PRESSION
1 ".mm
288mm
On voit immédiatement que, cette table de graduation une fois établie, l'appareil peut servir d'électromètre. La sensibilité est d'autant plus grande que le tube capillaire est plus mince, puisque la différence de potentiel que l'on introduit modifie simplement la constante capillaire, et que les changements de pression seront, toutes choses égales, proportionnels à la pression primitive. Cet électromètre ne peut servir directement qu'à l'évaluation de forces éleclromotrices inférieures aux 0,6 d'un Daniell, mais il permet d'apprécier facilement la millième partie de cette quantité ; comme sa capacité électrique est très-faible, il peut mettre en évidence des changements rapides de potentiel, auxquels les électromètres ordinaires ou les galvanomètres les plus délicats seraient insensibles.
11 est facile de construire aussi des électromètres capillaires de dimensions beaucoup plus petites, en observant les déplacements de la surface du mercure dans un tube capillaire, mais alors chaque instrument doit avoir sa table, si le tube n'est pas parfaitement cylindrique. Les indications de ces appareils paraissent indépendantes des variations de température, du moins entre 0° et 50°.
1046. D'après ce qui précède, la constante capillaire, ou la tension superficielle sur la surface de séparation de l'eau et du mercure, est une fonction de la différence de potentiel des deux liquides. Cette tension superficielle et l'excès du potentiel de l'eau sur le potentiel du mercure sont deux quantités qui augmentent et diminuent en même temps.
Réciproquement, si l'on déforme mécaniquement la masse de mercure, de manière à augmenter sa surface, la différence des potentiels augmente, ainsi que la tension superficielle; si l'on diminue la surface, la différence des potentiels et la tension superficielle diminuent. Il résulte de là que, lorsqu'on déforme une surface liquide par des moyens mécaniques, la différence des potentiels varie dans un sens tel que la tension superficielle correspondante s'oppose à la continuation du mouvement.
M. Lippmann démontre cette propriété par des expériences très-simples. Deux verres, contenant tous les deux du mercure recouvert par de l'eau acidulée, sont placés l'un à côté de l'autre et mis en communication au moyen d'une mèche de coton ou
d'une bande de papier à filtrer; les deux masses de mercure communiquent séparément avec des fils de platine qui ne touchent pas l'eau acidulée. On met ces fils en relation avec un galvanomètre, puis on incline l'un des verres : aussitôt l'aiguille est déviée, indiquant un courant qui va, à travers le liquide, du verre penché au verre resté droit. On reconnaîtrait de même, au moyen d'un ôlectromètre, que le potentiel a diminué sur le mercure du verre penché. La différence se dissipe peu à peu et, au bout de quelque temps, les deux masses de mercure reprennent le même potentiel.
On peut ainsi obtenir par des moyens mécaniques un courant électrique continu. Un entonnoir effilé A (fig. 298) contient du
mercure qui s'écoule par sa pointe au sein d'une masse d'eau acidulée renfermée dans un verre au fond duquel se trouve une couche de mercure B. Au moyen de deux fils a et g on met les deux masses de mercure en communication avec un galvanomètre et l'on obtient un courant permanent qui va de l'entonnoir au verre à travers le liquide. Le galvanomètre n'indique alors que la résultante générale du phénomène. Si l'on met, au contraire, les fils a et [3 en relation avec un ôlectromètre capillaire, on observe que le potentiel du mercure A éprouve des variations périodiques pendant la formation de chacune des gouttes. Ces changements donnent lieu encore à une expérience curieuse. Si, les fils a et g restant isolés, la quantité de mercure est assez faible pour que l'écoulement s'arrête à un certain moment, on peut constater que le mercure de l'entonnoir est à un potentiel plus faible que celui du verre. En joignant les fils a et (3, il se produit un courant continu et l'écoulement recommence, pour cesser encore dès que l'on interrompt le circuit.
1047. Le changement des propriétés électriques d'une surface par les actions mécaniques est d'ailleurs une conséquence de la relation qui existe entre la tension superficielle et la différence des potentiels.
Considérons une masse de mercure en contact avec de l'eau
DES SOIRGES D'ELECTRICITE. 555
acidulée. Appelons S la surface de contact, A la tension superficielle, et x l'excès du potentiel de l'eau sur celui du mercure. Lorsque la surface éprouve une déformation infiniment petite, de manière à devenir égale à S H- dS, le travail accompli par la tension superficielle est égal à — AdS.
Supposons qu'une quantité d'électricité dm, fournie par une source étrangère, traverse la surface en allant de l'eau au mercure, il en résultera un changement dx de la différence des potentiels en même temps qu'une modification c/S de la surface. Les quantités x et S étant des variables indépendantes, on peut écrire
dm = XdS -H YStkr.
Le coefficient X peut être appelé la capacité électrique de l'u- ' nité de surface à différence de potentiel constante, et le coefficient Y la capacité électrique de l'unité de surface d'une électrode de métal, la surface restant constante. Le travail produit par la masse électrique dm, qui éprouve une chute de potentiel égale à x, a pour valeur xdm. Ce travail introduit dans l'appareil est égal au travail nécessaire pour déformer la surface, c'est-àdire à l'accroissement d'énergie de la surface considérée comme une membrane élastique, plus au travail extérieur accompli — AdS. Si l'on répète la même opération plusieurs fois en sens contraires, de manière que l'état final soit le même que l'état initial, la variation d'énergie sera nulle et le travail électrique
total l xdm sera égal au travail extérieur / — AdS accompli par
l'appareil. On aura donc
/ xdm = j — Ar/S, ou bien
f(xdm + Ad&) = 0.
Si l'on remplace dm par sa valeur, l'expression comprise entre parenthèses devient
xXdS -h xYSdx -f- AdS ;
cette expression doit être une différentielle exacte d'une fonction
des deux variables indépendantes x et S. Il en résulte la condition
(i) m^M=xY.
Si les forces électromotrices mises en jeu restent toujours insuffisantes pour opérer une décomposition de l'eau appréciable, la quantité totale d'électricité, pour un cycle fermé, doit être
nulle, et l'on a alors / dm — 0. Il faut donc que dm soit aussi
une différentielle exacte, ce qui donne la condition
(Il g -T.
On déduit des équations (\ ) et (2)
dx
r\ i d\ ,., c d'2k ( dk\
(5 dm = r- </S — S -1— - dx = — r/ S — •
dx dx- \ dx)
On connaît ainsi l'expression des capacités électriques en fonction de la tension superficielle. Il résulte de là que, si la tension superficielle est une fonction de la différence des potentiels x, comme l'indiquent les premières expériences, la dérivée de cette fonction n'est pas nulle ; la capacité électrique X n'est donc pas nulle et, en changeant la forme de la surface, on doit modifier la différence des potentiels. La réciproque est vraie.
Il faut remarquer toutefois que, dans cette démonstration relative au cycle fermé, on n'a fait intervenir que les travaux extérieurs et les modifications d'énergie potentielle de la surface. On a donc supposé qu'il n'y avait pas de dégagement de chaleur, ou du moins que, par suite de la rapidité des alternatives, la surface n'éprouvait ni perte ni gain de chaleur comme résultat final. En outre, en écrivant que la somme totale des quantités d'électricité qui traversent la surface est nulle, on admet implicitement que les liquides décomposables par l'électricité, comme l'eau, n'ont aucune conductibilité propre indépendante
de l'électrolysc, de sorte que toute quantité d'électricité qui traverse la surface décompose une quantité d'eau qui lui est proportionnelle. Cette proposition est au moins très-approchée, mais plusieurs physiciens ne la considèrent pas comme rigoureusement démontrée. Enfin, il peut arriver qu'une partie des gaz qui produisent la polarisation des électrodes se dissipe par diffusion dans le liquide, et s'échappe ensuite par sa surface, sans donner lieu à un travail électrique correspondant.
1048. M. Lippmann a construit, d'après ces principes, un moteur électrique dans lequel il a réalisé les conditions du cycle fermé. L'appareil est formé de deux paquets de tuhes capillaires plongeant séparément dans des vases qui contiennent une couche de mercure recouverte d'eau acidulée. Ces paquets de tubes sont portés par les extrémités d'un levier qui peut tourner autour d'un axe horizontal. Quand on met les couches de mercure en communication avec les pôles d'un couple Daniell, la tension superficielle augmente dans le mercure négatif; le paquet de tubes correspondant est soulevé d'une certaine quantité. L'effet inverse a lieu à l'autre pôle, de sorte que le levier éprouve un petit déplacement. Si l'on utilise les oscillations du levier luimême pour faire manœuvrer un commutateur, on réalise un appareil dont le mouvement s'entretient indéfiniment et qui peut être employé comme moteur électrique.
ELECTRICITE ATMOSPHERIQUE .
1049. La foudre est un phénomène électrique. — L'idée de
comparer les effets de l'électricité avec ceux de la foudre est très-ancienne, et l'on trouve l'indication de cette analogie dans les travaux de la plupart des physiciens qui ont étudié les étincelles électriques. Les points de ressemblance entre les deux genres de phénomènes devenaient de plus en plus nombreux à mesure que la science de l'électricité se développait ; mais ces rapprochements, plus ou moins heureux, étaient restés à l'état de conjectures jusqu'au moment où Franklin eut l'idée d'en donner une démonstration expérimentale, en soutirant l'électricité d'un nuage orageux.
Le 7 novembre 1749, Franklin (*) résumait dans les termes suivants, sur son cahier de laboratoire, les propriétés communes au fluide électrique et à la foudre : « 1° production de lumière;
— 2° couleur de cette lumière; — 3° direction en zigzag; — 4° rapidité du mouvement; — 5° transmission par les métaux;
— 6° bruit ou craquement dans l'explosion; — 7° propagation dans l'eau ou la glace; — 8° rupture des corps traversés;
— 9° mort des animaux; — 10° fusion des métaux; — 11° inflammation des matières combustibles; — 12° odeur sulfureuse; » et Franklin ajoute: « Le fluide électrique est attiré par les pointes. Nous ne savons pas si la foudre jouit de cette propriété : mais, puisque les deux phénomènes présentent tant de particularités communes, n'est-il pas probable qu'ils partagent encore celle-ci? Il y a lieu d'en faire l'expérience. »
Franklin ne se borne pas à ces indications. Ayant reconnu qu'un tube électrisé de 10 pieds de long se décharge sur une pointe à la distance de 2 ou 3 pouces, il en conclut qu'un nuage électrisé doit se décharger sur la terre à une distance proportionnellement beaucoup plus grande. Pour vérifier si les nuages qui contiennent la foudre sont électrisés (2), il propose donc de construire sur une tour élevée une petite guérite, assez grande pour contenir un homme, et munie d'une tige de métal isolée de 20 à 50 pieds de hauteur terminée en pointe. Un observateur placé sur un tabouret isolant et communiquant avec la tige, doit être fortement électrisé au moment où de pareils nuages passeront à une petite distance, et pourra tirer des étincelles des corps voisins. Si l'expérience paraît trop dangereuse sous cette forme, l'observateur pourra se tenir en communication avec le sol, et approcher de temps en temps du bas de la tige isolée un autre fil de métal relié aussi avec le sol et tenu par un manche isolant. Avant même que l'expérience ait pu être réalisée, Franklin indique comment cette propriété des pointes peut être utilisée dans un but humanitaire, pour préserver de la foudre les maisons, les églises, les vaisseaux et tous les édifices élevés. Une pointe de métal à l'extrémité d'une longue tige attirerait probablement l'électricité d'un nuage d'une
(*) Lettre au I)r Linning, 18 mars 1755. (2) Lettre à Collinson, 29 juillet 1750.
manière silencieuse, avant qu'il soit assez rapproché pour se décharger brusquement.
1050. — Les projets de Franklin furent mis à exécution pour la première fois en France par Dalibard (1). Au milieu d'une plaine élevée, située à Marly-la-Ville, Dalibard fit dresser une tige de fer, d'environ 1 pouce de diamètre et de 40 pieds de longueur, terminée par une pointe aiguë d'acier trempé. Cette tige était soutenue par des cordons de soie, attachés à trois perches de hauteur un peu moindre, et communiquait à la partie inférieure avec un tabouret isolant. Le 10 mai 1752, pendant un temps d'orage, on put tirer des étincelles de la partie inférieure de la tige à l'aide d'un fil de métal tenu par un manche de verre. Cette expérience célèbre confirma d'une manière remarquable toutes les prévisions de Franklin.
L'expérience fut aussi réalisée par Franklin sous une autre forme (2). Impatient d'attendre l'achèvement d'une tour qu'il s'était proposé d'utiliser, il construisit un cerf-volant avec un mouchoir de soie, afin qu'il pût mieux résister à la pluie. Le cerfvolant était tenu par une corde de chanvre munie d'un bout de soie à la partie inférieure. Un nuage orageux vint à passer sans qu'on pût manifester la moindre trace d'électricité. Franklin désespérait du succès de son expérience quand il vit tout à coup les filaments de la corde se dresser dans toute la longueur ; en présentant une clef à la partie inférieure de la corde, il en tira une puissante étincelle. Les effets furent surtout marqués quand une petite pluie vint mouiller la corde de manière à la rendre conductrice ; on pouvait en tirer de longues étincelles, charger une bouteille de Leyde, enflammer l'alcool, répéler en un mot toutes les expériences d'électricité ordinaire.
L'année suivante, de Rom as (3) fit l'expérience du cerf-volant en France, sans savoir qu'elle avait déjà été exécutée par Franklin. De Romas eut l'idée heureuse de rendre la corde plus conductrice en l'entrelaçant d'un fil métallique. Cette corde était enroulée sur un treuil isolé qui permettait de la développer plus
(*) Franklin. Expériences sur Vélectricité, traduction française par Dalibard, t. H, p. 67.
(2) Lettre à Collinson, 19 octobre 1752.
(3) Mémoires des savants étrangers, t. II, p. 593, et t. IV, p. 51 i.
558 TRAITÉ D'ÉLEOTRICÏTÉ STATIQUE.
ou moins, sans qu'on fût obligé d'y toucher. Il obtint tous les effets électriques qu'avait déjà observés Franklin ; pendant un orage assez faible du 16 août 1 757, il tira de la partie inférieure de la corde des étincelles qui avaient jusqu'à 4 mètres de longueur et près de 3 centimètres d'épaisseur, et produisaient plus de bruit que des coups de pistolet. Il était démontré par là que les expériences pouvaient être très-dangereuses, malgré toutes les précautions dont on pût s'entourer ; la mort de Richmann, frappé d'un coup de foudre à Saint-Pétersbourg dans le voisinage d'un appareil qui lui servait à étudier l'électricité des orages, lit bientôt renoncer les physiciens à ce genre d'observations.
1051. — Dans le mois de septembre 1752, Franklin (*) lit ériger sur sa maison une tige de métal isolée qu'il termina à la partie inférieure par un carillon électrique, pour être prévenu du moment où l'appareil serait électrisé. Les timbres sonnaient quelquefois sans qu'il y eût apparence d'éclairs ou de tonnerre, mais seulement au passage de nuages noirs au-dessus de la tige ; parfois la sonnerie s'arrêtait brusquement à la suite d'un éclair ; d'autres fois elle se mettait seulement en marche après l'apparition d'un éclair ; tantôt les étincelles se succédaient à de longs intervalles, tantôt elles étaient très-rapides et formaient une traînée continue entre les timbres. Pendant l'hiver suivant, il chercha quelle était la nature de l'électricité par la charge que la tige donnait à une boulcille de Leyde ; il conclut d'un grand nombre d'observations que les nuages orageux sont électrisés tantôt dans un sens, tantôt en sens contraire, mais le plus souvent d'électricité négative.
1052. L'électrisation des nuages et l'existence d'électricités de signes contraires étant démontrées, la foudre devient alors un phénomène entièrement comparable aux décharges des batteries. Quand une décharge électrique a lieu, soit entre deux nuages différents, soit entre un nuage et un objet quelconque communiquant avec la surface du sol, auquel cas on dit que la foudre est tombée, les effets produits sont, dans des proportions plus grandes, identiques à ceux qu'on obtient par l'électricité des
(*) Lettre à Côllinson, septembre 1755,
machines : le bruit de la décharge ou le tonnerre, la forme en zigzag des éclairs, leur couleur, l'odeur sulfureuse qui rappelle l'ozone, les décompositions chimiques, la fusion des métaux, la rupture des corps mauvais conducteurs, l'inflammation des substances combustibles, l'aimantation et la désaimantation de l'acier, l'illumination des pointes soumises à l'influence de nuages électrisés, les actions physiologiques produites soit par des étincelles directes, soit par suite du choc en retour, etc. Nous ne pouvons pas entrer ici dans le détail de tous ces phénomènes. Nous renverrons le lecteur aux ouvrages spéciaux de météorologie, à la remarquable notice d'Arago sur le tonnerre ('), aux atlas sur la marche des orages publiés par l'Observatoire de Paris, etc. Nous insisterons seulement au point de vue physique sur quelques-unes des circonstances.
1053. Du tonnerre. — Si les nuages étaient des corps conducteurs de l'électricité à la manière des métaux, lorsque deux d'entre eux se rapprocheraient à une certaine distance, il s'y produirait une étincelle électrique, ou un éclair. Si alors ils n'étaient soumis qu'aux seules actions électriques, ils finiraient par se réunir, soit en une masse unique sur laquelle serait accumulée toute l'électricité primitive, soit en masses différentes qui, étant électrisées de la même manière, se repousseraient réciproquement et se sépareraient de plus en plus. Dans ces conditions, l'état final devrait être précédé d'un certain nombre de décharges partielles constituant les éclairs et le tonnerre, et se conserverait jusqu'à ce que chacune des masses principales vint à se résoudre en une pluie qui entraînerait l'électricité vers la terre, ou à passer à une distance assez faible d'un corps conducteur communiquant avec le sol, pour y provoquer une décharge brusque. En réalité le phénomène est beaucoup moins simple. Indépendamment des mouvements que les nuages doivent à l'action de causes étrangères à l'électricité, il faut remarquer que la substance qui constitue les nuages n'est qu'un corps médiocrement conducteur, et qu'au lieu de former une masse continue, elle est agglomérée d'une manière très-irrégulière en masses isolées les unes des autres par l'air ambiant, de sorte
(') Annuaire du Bureau des longitudes, pour l'année 1858.
qu'il peut s'écouler un temps très-long et se produire un grand nombre de décharges partielles, avant que l'état d'équilibre final soit atteint.
« Un nuage est formé, dit Peltier (l), d'une foule d'individualités plus ou moins isolées, plus ou moins distinctes et indépendantes : c'est ce qu'on appelle des flocons, des mamelons, des nuelles, etc. Chacune de ces individualités a sa sphère électrique ; puis le nuage tout entier a la sienne. Toutes ces sphères électriques sont en équilibre de tension entre elles. Lorsqu'une décharge électrique a lieu, c'est l'électricité de la périphérie du nuage qui s'élance en étincelles ; elle forme à elle seule le coup de foudre, et aucune portion intérieure n'a pu y concourir à cause de l'isolement dont nous avons parlé. Mais, après que la décharge extérieure a rompu l'équilibre, il s'opère une série de décharges partielles entre toutes les individualités composant par leur réunion la nuée générale, jusqu'à ce que toutes les réactions se soient équilibrées de nouveau. Ce sont ces décharges multipliées en tous sens, entre les nuelles, leurs mamelons et leurs flocons, qui produisent le roulement et le ronflement du tonnerre. C'est à cause de ces décharges intérieures, de leur rapprochement ou de leur éloignement de l'observateur, que le bruit parait tantôt se rapprocher et tantôt s'éloigner. »
D'après cette manière de voir, un coup de tonnerre général, c'est-à-dire une décharge électrique entre deux nuages de grandes dimensions, doit être précédé et suivi d'un nombre plus ou moins grand de décharges partielles. Tous ces effets se traduisent d'ailleurs par des variations très-rapides sur les électromètres soumis à l'influence d'un nuage électrisé.
1054. Avant Peltier, le phénomène était généralement compris d'une manière différente. Les éclairs ayant de grandes dimensions et une marche irrégulière en zigzag, l'observateur ne perçoit pas au môme moment le bruit de la décharge totale, quoique la durée de l'étincelle soit inappréciable ; l'intensité du son, au bout d'un certain temps après l'explosion, dépend du nombre de points suivant lesquels le tracé général de l'éclair est coupé par une sphère ayant pour centre l'oreille de l'observateur, et pour
(!) Notice sur la vie et les travaux de Peltier, p. 512.
rayon l'espace parcouru par le son pendant cet intervalle de temps. On expliquait ainsi les renflements du son pendant le coup de tonnerre et l'on attribuait les roulements consécutifs à la réflexion du son, soit sur les nuages eux-mêmes, soit sur les objets terrestres. Ces causes interviennent sans doute pour une part dans le phénomène, mais elles ne permettent pas d'expliquer les roulements qui précèdent souvent les coups de tonnerre et présentent la plus grande analogie avec les roulements qui le suivent. La théorie esquissée par Peltier parait plus satisfaisante et, en raison même de la multiplicité des effets électriques qu'elle fait intervenir, elle permet de rendre compte de toutes les observations. Ainsi encore, on peut remarquer qu'un nuage ordinaire parcourt souvent une étendue du ciel considérable sans que la forme de son contour soit sensiblement modifiée. Un nuage électrisé, au contraire, éprouve des transformations continuelles ; on y voit des protubérances se développer et grandir brusquement en certains points, pour se retirer ensuite, dénotant ainsi des mouvements internes dans lesquels les actions électriques entre les flocons et les mamelons jouent probablement un rôle important.
1055. Des éclairs. — Quelle que soit leur forme, les éclairs paraissent le plus souvent avoir une durée très-sensible, mais c'est une illusion due à la persistance des impressions sur la rétine. Pour le démontrer, Wheatstone. recevait la lumière des éclairs, pendant la nuit, sur un disque blanc portant des rayon noirs très-serrés, auquel il imprimait un mouvement de rotation très-rapide autour de son centre. Le disque apparaît au moment d'un éclair, mais les rayons semblent toujours immobiles, à cause de la courte durée de l'illumination : la durée d'un éclair est inférieure au temps nécessaire pour qu'un des rayons vienne se mettre à la place du suivant, sans quoi le disque devrait apparaître avec une teinte grise générale. Connaissant la distance des rayons et la vitesse de rotation du disque, on peul en déduire la durée d'un éclair ; les observations ont montré que cette durée n'atteint pas la millième partie d'une seconde de temps, ce qui est tout à fait concordant avec les résultats obtenus pour les décharges de batteries.
1056. Arago a divisé les éclairs en trois classes distinctes, ii 56
Les éclairs de la première classe consistent en un trait de feu, très-arrêté sur les bords, dessinant dans l'espace les zigzags les plus prononcés, c'est-à-dire ayant l'apparence d'une étincelle obtenue dans l'air entre deux conducteurs.
La distance d'un éclair à l'observateur peut être déterminée par le temps qui s'écoule entre l'apparition du phénomène et l'audition du coup de tonnerre, à l'aide de la vitesse de propagation du son. D'autre part, si l'on évalue en même temps l'angle apparent des extrémités de l'éclair, on peut en déduire sa grandeur absolue. Or les observations ont montré que des éclairs de première classe atteignent, dans certains cas, 12 ou même 15 kilomètres de longueur. Ces effets peuvent paraître extraordinaires si on les compare aux étincelles de nos machines; mais il faut remarquer que, dans un espace occupé par des nuages d'une manière discontinue, la propagation des décharges est beaucoup plus facile que dans l'air ordinaire. Les éclairs qui paraissent uniques sont formés sans doute d'une succession d'étincelles comme dans les appareils étincelants (774), ce qui peut en augmenter la longueur apparente dans des proportions énormes. D'autre part, la raréfaction de l'air et la hauteur des nuages est déjà assez grande pour faciliter l'écoulement de l'électricité, et enfin nous avons vu (479) qu'à partir de certaines distances explosives, la longueur des étincelles croît d'une manière beaucoup plus rapide que la différence des potentiels des corps entre lesquels a lieu la décharge. Cette grande longueur des éclairs ne peut donc donner aucune idée de la quantité d'électricité accumulée sur les nuages.
1057. Les éclairs de deuxième classe, qui sont de beaucoup les plus fréquents, consistent en lueurs instantanées qui illuminent les nuages, tantôt sur leur contour seulement, tantôt dans toute leur étendue, de couleurs variables plus ou moins intenses; ces éclairs ne sont quelquefois accompagnés d'aucun bruit appréciable. On doit attribuer ces lueurs soit à des éclairs ordinaires cachés à l'observateur par des nuages intermédiaires, soit à des décharges partielles qui s'effectuent dans l'intérieur d'un nuage entre les éléments qui le constituent. Les éclairs dits de chaleur formés par des lueurs que l'on aperçoit quelquefois à l'horizon, même sans nuages apparents, rentrent dans la même catégorie
et doivent être attribués à des orages, trop éloignés pour être entendus, qui illuminent de temps en temps l'atmosphère.
1058. Enfin Arago appelle éclairs de troisième classe un phénomène en apparence très-différent. On a cru apercevoir quelquefois par les temps d'orage des globes de feu de volume très-variable, qui traversent l'atmosphère avec une vitesse plus ou moins grande, se dirigent vers la terre, rebondissent à sa surface comme des balles élastiques, se promènent lentement sans produire aucuns dégâts, môme sur des matières combustibles sans les enflammer, enfin disparaissent subitement, tantôt sans aucun bruit, tantôt avec détonation comparable à celle d'une pièce d'artillerie et en produisant sur les corps voisins les effets habituels de la foudre. Si l'existence du tonnerre en boule avec des propriétés si singulières était parfaitement démontrée, elle constituerait un des problèmes d'électricité les plus difficiles à résoudre ; mais, quand on se reporte aux récits d'après lesquels les boules de feu électriques ont pris crédit dans la science, on voit bientôt que les observations sont dues le plus souvent à des personnes dont l'éducation scientifique était très-insuffisante et qui ont pu se laisser tromper par des illusions grossières.
Si l'on suppose, par exemple, qu'un éclair soit vu dans sa propre direction, il fera sur l'œil de l'observateur l'effet d'une boule de feu d'un grand éclat qui paraîtra durer un certain temps, à cause de la persistance des impressions sur la rétine. Que l'observateur reporte alors son regard sur les objets qui l'entourent, il transportera l'impression lumineuse dans la direction de la vision et pourra faire voyager la boule sur des corps quelconques avec une vitesse plus ou moins grande. L'impression s'évanouit ensuite d'elle-même, surtout si l'esprit de l'observateur est frappé par un autre phénomène qui attire son attention, tel que le bruit du tonnerre, qui arrive au bout d'un temps trèscourt après l'apparition de l'éclair si l'orage est très-rapproché, et ce bruit pourra être attribué à l'explosion de la boule qui a disparu. 11 existe d'ailleurs des relations d'après lesquelles plusieurs personnes différentes ont vu des boules de feu en même temps dans différentes parties d'un même édifice, et l'on peut s'assurer que la plupart des observations citées dans la science peuvent être expliquées de la même manière.
1050. Du paratonnerre. — L'Académie des sciences a publié à plusieurs reprises des instructions pour la construction des paratonnerres. L'une d'elle a été rédigée en 1 825 par Gay-Lussac, et deux autres par Pouillel en 1854 et en 1867. Ces instructions sont la mise en pratique des principes posés d'abord par Franklin. Un paratonnerre se compose essentiellement d'une longue tige de métal terminée en pointe à la partie supérieure et communiquant avec le sol par des corps bons conducteurs. La longueur de la tige et la manière dont la pointe est effilée influent beaucoup sur le jeu électrique d'un paratonnerre. On recommandait autrefois des pointes de platine très-aiguës, mais l'expérience a montré que de pareilles pointes sont souvent fondues par l'effet des décharges électriques , et que l'extrémité de la tige ne tarde pas à s'émousser. D'ailleurs le platine n'est pas le métal qui convienne le mieux, car il s'échauffe beaucoup, parce qu'il offre une grande résistance à l'électricité, de sorte qu'en réalité il fond plus facilement que le cuivre. La pointe qui termine la tige doit être formée , d'après l'instruction de 1854, par un cône de 30°, en platine ou en cuivre plaliné pour éviter l'oxydation, ou même simplement en cuivre. M. Perrot ([) recommande, au contraire, de terminer la tige par une couronne de pointes dirigées dans tous les sens ; il croit que les pointes multiples étendent beaucoup le cercle de protection et rendent le paratonnerre plus efficace.
La précaution la plus importante est de maintenir une continuité parfaite entre la tige et le sol par un câble conducteur, puis d'établir une communication conductrice entre ce câble et la terre au moyen d'une nappe d'eau, ou d'un sol humide comme le fond d'un puits, ou par tout autre procédé équivalent. Si l'édifice que l'on veut protéger renferme de grandes masses conductrices, comme des charpentes en fer, il est nécessaire de les mettre en communication avec le paratonnerre, car ces masses métalliques, sous l'influence d'un nuage électrisé, prendront un potentiel très-différent de celui de la tige; il pourra se produire des étincelles entre ces deux conducteurs, et le voisinage du paratonnerre deviendrait un danger plutôt qu'une protection.
1 Comptes rendus de l'Académie des sciences, t. LVJ, p. 5j7.
L'efficacité principale des paratonnerres consisle surtout à décharger d'une manière silencieuse les nuages électrisés qui passent dans leur sphère d'action, en laissant échapper par la pointe de l'électricité de sens contraire. Onestassuré qu'ils remplissent ce rôle, car on les voit s'illuminer pendant la nuit comme les pointes d'un conducteur soumis à une influence électrique. Si le débit d'électricité fourni par la pointe est insuffisant, il peut arriver que le paratonnerre soit foudroyé, c'est-àdire reçoive une décharge directe sous forme d'étincelle ; dans ce cas, l'édifice n'en a pas moins été protégé, mais l'instrument est souvent mis hors d'usage.
Une question difficile à résoudre est de savoir à quelle distance un paratonnerre exerce une action efficace. On admet généralement, depuis Gay-Lussac, que la protection s'étend horizontalement à une distance double de la longueur de la tige ; mais il ne peut y avoir à ce sujet de règle générale. Les nuages orageux se trouvent à des hauteurs différentes, marchent avec des vitesses variables et possèdent des quantités d'électricité plus ou moins grandes, de sorte que le débit d'électricité que devra fournir le conducteur du paratonnerre dépend d'une foule de circonstances contre lesquelles on n'est jamais sûr d'être absolument garanti. Le moyen le plus correct de soustraire un corps à l'action de l'électricité des nuages serait de l'entourer complètement par un conducteur fermé, ou simplement par une sorte de grillage métallique relié avec la terre à l'aide de communications multiples. En supposant même qu'il n'y ait aucun écoulement d'électricité, un pareil conducteur reste toujours au potentiel du sol et maintient le même potentiel sur tous les corps, conducteurs ou non, qu'il enveloppe. Si ce grillage est en outre muni de pointes nombreuses disséminées de toutes parts, les fuites d'électricité auront lieu de plusieurs côtés à la fois, par l'intermédiaire de conducteurs dont la section sera toujours suffisante, et l'appareil présentera les meilleures garanties de protection. C'est là le principe que M. Melsens a appliqué dans la construction du beau paratonnerre dont il a entouré l'hôtel de ville de Bruxelles. Toutes les parties saillantes de l'édifice ont été munies de gerbes de pointes reliées les unes aux autres par des conducteurs nombreux qui courent le long du faîte des toits,
contournent les ornements en relief, suivent tous les angles des murs et pénètrent par plusieurs points dans le sol, avec la surface duquel ils sont mis en communication pour profiter de la conductibilité qu'y produit la première chute de pluie, et sont enfin soudés aux conduites de distribution d'eau dans la ville. On peut juger que quelques-unes des précautions prises par M. Melsens sont superflues, mais l'ensemble de la construction forme, sans aucun doute, le plus beau modèle de paratonnerre qui ait été réalisé.
1060. Electricité atmosphérique par nn ciel serein. — L'ori-
gine de l'électricité des nuages doit être cherchée dans un état antérieur de l'atmosphère; la condensation des vapeurs peut être un moyen d'accumuler sur ces corps assez conducteurs l'électricité disséminée dans un certain espace, mais elle ne paraît pas devoir être la source même de l'électricité, parce que dans tout phénomène pareil il se produit toujours des quantités égales d'électricités de sens contraires. Lemonnier, en effet, a découvert en 1752 (*), quelques jours après l'expérience de Dalibard, qu'une tige verticale conductrice et isolée s'électrise presque toujours par un ciel absolument pur et peut donner des étincelles. Il a môme constaté les indices d'une variation diurne régulière de l'état électrique de l'air, quand le ciel est pur, tandis que l'électricité est généralement insensible par les grands vents, les temps couverts et pluvieux. Cette électricité, fournie par un ciel pur, s'est toujours montrée positive.
1061 . Avant d'aller plus loin dans l'étude de ces phénomènes, il importe de définir exactement le problème et de préciser quelles sont les conséquences que l'on peut déduire des différentes méthodes d'observation.
Quelle que soit la distribution des couches électriques qui agissent sur les appareils, qu'elles résident à la surface du sol ou dans les régions supérieures de l'atmosphère, ou qu'elles soient disséminées dans toute son étendue, il y , a en chaque point un potentiel déterminé. La surface du sol, pouvant être considérée comme un bon conducteur, se trouve à un potentiel constant et forme une surface du niveau. Le potentiel augmente
(*) Mémoires de V Académie des sciences (1752), p. 233.
en valeur absolue quand on s'élève, puisqu'une tige isolée verticale se charge d'électricité positive à sa partie inférieure. Si le ciel est pur et l'air calme, les surfaces de niveau électrique audessus d'une plaine doivent former, par raison de symétrie, une série de plans horizontaux, tandis qu'elles se relèvent dans le voisinage d'une montagne et reproduisent d'une manière plus ou moins fidèle tous les accidents qui existent à la surface du sol. La seule quantité qui soit définie et qu'il y ait à déterminer, c'est la différence de potentiel qui existe entre un point de l'atmosphère et le sol lui-même, sans que cette observation isolée puisse rien indiquer sur la position véritable des masses électriques influentes. Les instruments d'observation seront donc d'autant plus parfaits qu'ils détermineront plus exactement cette différence de potentiel. Nous supposerons, pour simplifier le langage, que le potentiel du sol est nul.
1062. Méthodes d'observation. — Considérons, par exemple, une tige de métal verticale parfaitement isolée. Cette tige prend un potentiel constant, plus faible que celui des couches d'air voisines de son extrémité supérieure, mais plus élevé que le potentiel du sol, et elle se montrera positive par rapport aux conducteurs qui sont en communication avec la terre. Le potentiel de cette tige est le même que celui de la couche de niveau atmosphérique qui passe par la ligne neutre; mais la position de ligne neutre dépend de la loi de distribution des masses influentes, de sorte que le potentiel de la tige n'est pas proportionnel en toute rigueur à celui des couches d'air voisines de son extrémité, et qu'il ne représente pas le potentiel d'une région déterminée de l'atmosphère. Si l'état de l'air était constant et la déperdition d'électricité nulle, il suffirait de mettre la tige un instant en communication avec le sol pour que son potentiel fût nul, et restât nul indéfiniment; l'appareil ne serait plus sensible qu'aux variations de l'état électrique de l'atmosphère. Si, au contraire, il s'effectue des déperditions par le contact de l'air sur toute la surface de la tige, son potentiel augmentera de nouveau d'une manière plus ou moins rapide, jusqu'à ce que les déperditions d'électricité négative par la partie supérieure et d'électricité positive par la partie inférieure soient devenues équivalentes. Le nouveau potentiel sera encore une fraction, va-
riable avec les conditions de l'expérience, de celui qui existe dans l'air au voisinage du sommet de la tige.
Tel est le cas des appareils qu'a employés le P. Beccaria dans ses longues séries d'observations sur l'électricité atmosphérique. Un fil de fer dit explorateur, de 152 pieds de longueur, était isolé et tendu entre le haut d'une cheminée et une branche de cerisier; un fil déférent, partant du voisinage de l'extrémité supérieure, communiquait avec un électromètre à boules situé dans l'intérieur du laboratoire. Quand on avait ramené les boules à l'état neutre en les touchant, il fallait quelquefois plus d'une minute par un temps serein pour que la divergence des boules reprit sa valeur primitive, tandis que dans d'autres circonstances le même résultat était atteint au bout d'une seconde. La lenteur (lentezza) et la rapidité (frequenza) d'électrisation doivent être attribuées soit à une déperdition d'électricité variable avec l'état hygrométrique, soit à des particules électrisées que le vent amène au contact de la tige et qui font varier rapidement son potentiel. M. Thomson (*) a observé des effets analogues sur un électromètre qui communiquait avec un conducteur isolé exposé à la pluie ou au brouillard.
1063. Reprenons encore l'exemple de la tige isolée et supposons que l'extrémité supérieure soit terminée par une pointe, comme dans les expériences de Franklin, Lemonnier, De Saussure, etc. La déperdition d'électricité par la pointe devient beaucoup plus grande, la ligne neutre se rapproche du sommet de la tige et le potentiel du conducteur tend à devenir égal à celui des couches d'air situées autour de la pointe ; les indications deviennent donc beaucoup plus régulières. Toutefois, l'efficacité d'une pointe métallique est tout à fait insuffisante pour de faibles différences de potentiel, et il peut arriver encore que la déperdition qui a lieu sur la surface entière de la tige domine l'effet de la pointe, auquel cas on rencontrera toutes les incertitudes que présente la méthode de Beccaria.
Volta eut l'idée en 1787 (2) de terminer la tige de Franklin par une petite bougie ou un fil soufré que l'on allume au mo-
(*) Reprint ofpapers, p. '226.
(•) Lettres sur In météorologie électrique. Collezione dell' opère di Voltn, t. I, parte II, passim.
ment de l'expérience. Il reconnut que la flamme par elle-même ne donne pas d'électricité sensible, et que l'électromètre employé par De Saussure (262) se charge d'une quantité d'électricité double quand on ajoute cette flamme à l'extrémité de la pointe, ce qui confirme les remarques précédentes sur l'inefficacité des pointes métalliques. L'appareil devient ainsi un véritable égaliseur de potentiel (859) ; en outre, comme l'état électrique de l'atmosphère n'est pas modifié d'une manière appréciable par la quantité d'électricité que laisse échapper la flamme, on se trouve en présence d'une véritable source d'électricité et l'on peut avoir recours aux électroscopes condensateurs pour rendre les effets plus manifestes, dans le cas où l'électrisation serait trop faible. Yolta reconnut que la grandeur de la flamme était à peu près indifférente, que deux mèches ne donnaient pas plus d'électricité qu'une seule, et qu'on pouvait aussi se servir de corps donnant delà fumée sans flamme, quoique l'effet fût alors moins marqué. Son appareil se composait d'une simple bougie ou d'une lampe ordinaire placée dans une lanterne ouverte. La flamme était isolée à l'extrémité d'une tige et mise en communication par un fil, soit avec une bouteille de Levde, soit avec un
électromètre ; on supprimait ensuite cette communication pour faire les observations.
M. Thomson a remis en faveur cette méthode de Volta. Pour les électromètres portatifs, il les munit d'une longue tige dont la pointe est terminée, soit par une mèche imbibée d'alcool, soit plutôt par une baguette de papier roulé, imprégné de nitrate de plomb. Ce papier, en brûlant, s'effile en pointe d'une manière régulière et les gaz chauds qui proviennent de la combustion remplissent le même office qu'une flamme, dont l'entretien est toujours plus difficile. Pour les instruments à poste fixe, M. Thomson fait communiquer l'une des électrodes ou l'aiguille d'un électromètre avec un vase de métal isolé renfermant de l'eau ; ce vase est muni d'un tube conducteur par l'extrémité duquel on laisse écouler une petite quantité d'eau. L'aiguille ne tarde pas à prendre exactement le potentiel des couches d'air qui entourent l'orifice d'écoulement, si les gouttes sont discontinues, ou celui des couches qui sont situées au voisinage du point où la veine liquide se résout en gouttelettes.
1064. Enfin une dernière méthode consiste à recueillir l'électricité qui se produit à la partie supérieure d'un conducteur soumis à l'influence de l'électricité atmosphérique. Supposons, par exemple, qu'une sphère conductrice placée dans ces conditions soit mise en communication avec le sol par un fil de capacité très- faible; pour que le potentiel de cette sphère se maintienne égal à zéro, il faut que sa surface se recouvre d'une quantité d'électricité capable d'y produire un potentiel égal et de signe contraire à celui que l'électricité de l'atmosphère ellemême possède sur ce conducteur. Si le potentiel de l'électricité atmosphérique est positif et égal à V au centre de la sphère, celle-ci se chargera d'une certaine quantité — M d'électricité négative. En désignant par R le rayon de la sphère, on aura donc pour le centre
V — ïï = 0 ou M=:VR.
Il suffit alors d'isoler la sphère, de la transporter dans un laboratoire et de la mettre ensuite en communication avec un électromètre primitivement à l'état neutre, pour déterminer une quantité proportionnelle à la masse d'électricité M, et par suite au potentiel V de l'air. Il serait même facile de déterminer de cette manière le potentiel de l'air en valeurs absolues. C'est la méthode employée par M. Dellmann (*).
Si le conducteur que l'on isole ainsi, après l'avoir mis en communication avec le sol, n'a pas la forme sphérique, la quantité d'électricité dont il se charge est encore proportionnelle au potentiel de l'air en un point particulier du conducteur, et pourra servir de même à étudier les variations de l'état électrique de l'air. Cavallo (2), par exemple, attachait une boule de moelle de sureau , par l'intermédiaire d'une tige isolante, à l'extrémité d'une canne de ligne à pêcher ordinaire, formée de baguettes pouvant rentrer les unes dans les autres. Cette boule portait une paire de pendules et l'on y attachait une épingle tenue par un fil conducteur en communication avec le sol. Pour observer l'électricité de l'atmosphère, on dressait cette canne en dehors d'une
(») Pogg. Annal., t. CXII, p. 631. (-) Traité d'électricité, p. 20T» ,
fenêtre ou au sommet d'un édifice, et, au bout de quelques minutes, on retirait l'épingle par le fil. Il suffisait alors de rentrer l'électromètre dans une chambre et d'observer la déviation des pendules, pour évaluer leur charge électrique et le potentiel de l'air correspondant.
On peut employer de la même manière tout autre électromètre, celui de Peltier (291), par exemple. Après avoir réglé l'instrument dans une chambre, dé manière que l'aiguille mobile ab soit dans la direction du méridien magnétique et en contact avec l'aiguille fixe EF, la charge électrique étant nulle, on porte l'instrument sur une terrasse, on met la partie inférieure de la tige en communication avec le sol, puis on supprime cette communication et l'on rentre l'appareil dans la chambre, à la même position que primitivement. L'aiguille mobile est maintenant déviée et l'on peut par une table de graduation évaluer la charge électrique. Si la sphère est de grandes dimensions par rapport à la tige, cette quantité d'électricité provient presque exclusivement de la sphère elle-même et permet, comme dans les expériences de Dcllmann, de déterminer le potentiel de l'air en valeurs absolues.
11 est facile d'imiter dans un laboratoire les effets de l'électricité atmosphérique. Quand on place un électromètre sensible, relié avec un tube d'écoulement d'eau, dans l'intérieur d'une chambre fermée où l'on n'a fait, depuis longtemps aucune expérience d'électricité, l'appareil reste à l'état neutre. Si la chambre renferme des corps ôlectrisés, comme le conducteur d'une machine en activité, l'électromètre s'électrise immédiatement et prend un potentiel égal à celui des masses influentes au point où la veine se résout en gouttelettes. Si, au contraire, on ôlectrise l'air lui-même, en munissant de poinles le conducteur de la machine ou l'armature intérieure d'une batterie électrisée (l) dont l'armai lire extérieure communique avec le sol, ou encore en mettant une flamme isolée en communication avec un corps électrisé, l'électromètre indiquera encore un certain potentiel. On peut même disposer l'expérience de façon que le potentiel, au point où se trouve l'instrument, soit le même dans les deux
(») Cavallo, Traité d' électricité, p. 252.
cas. d'où il résulte clairement que ce potentiel n'indique pas la situation véritable des masses électriques influentes.
1065. Résultats des observations. — Toutes les observations
ont montré que, par un ciel serein, le potentiel dans l'air augmente de plus en plus à mesure qu'on s'élève. De Saussure, par exemple, se servait d'une canne à pêcher maintenue verticalement par des supports isolants et des cordons de soie, et mettait la partie inférieure en communication avec un électromètre. Il pouvait ainsi aller jusqu'à 15 ou 16 pieds de hauteur et obtenait une divergence des pailles d'autant plus grande que la canne était plus longue. Pour parvenir à des hauteurs de 40 ou 50 pieds, il prit une ficelle formée de trois brins d'argent filés, terminée par une balle de plomb à l'une de ses extrémités, et à l'autre bout par une boucle de métal entr'ouverte. Il passait cette boucle dans l'anneau de l'électromètre, puis lançait la balle de plomb en l'air à la plus grande hauteur possible ; la divergence des pailles correspondait au potentiel atteint par le conducteur au moment où la boucle se détachait de l'électromètre.
MM. Becquerel et Breschct(1), dans une série d'observations au grand Saint-Bernard, lançaient en l'air une flèche maintenue en communication avec un électromètre par un fil de soie recouvert de clinquant. Pour s'assurer que l'électricité transmise par la flèche n'était pas due au frottement de l'air, il suffisait de la tirer horizontalement; ordinairement il ne se produisait aucune trace d'électricité. Quand la flèche était lancée verticalement, les pailles divergeaient d'autant plus que la flèche parvenait à une plus grande hauteur, et étaient toujours électrisées positivement.
Enfin, pour aller encore plus loin, on peut faire monter dans l'air un cerf-volant maintenu en communication avec un électromètre par un cordon conducteur et isolé. Si le cerf-volant est muni de pointes aiguës, il mettra constamment l'électromètre au potentiel de la couche d'air dans laquelle il plane.
Dans une ascension en aérostat, Gay-Lussac et Biot mirent un électroscope placé dans la nacelle en communication avec un iil de métal de cinquante mètres de longueur qui pendait librement et était tendu par une boule de métal ; ils reconnurent que l'é-
(') Comptes rendus de V Académie des sciences, t. VI, p. ô28.
lcclriciié des pailles était négative. Cette expérience est encore concordante avec toutes les précédentes, puisque l'on observait alors l'électricité de l'extrémité supérieure du conducteur soumis à l'influence de l'atmosphère.
Les différences de niveau que l'on peut atteindre à la main permettent môme de montrer aisément cette variation régulière des potentiels. Ainsi, quand on tient à une certaine hauteur un électroscopc terminé par une boule, comme celui de Pet lier, et qu'on le met en communication avec le sol, les pailles ne divergent pas dune manière appréciable : le conducteur est à un potentiel nul et l'électricité négative dont il est chargé se maintient à la partie supérieure. Isolant l'appareil, on l'élève de 40 ou 50 centimètres : les pailles divergent et sont chargées d'électricité positive, parce que le potentiel du conducteur a augmenté. Si l'on descend l'appareil au-dessous de sa position primitive, les pailles divergent de nouveau, mais cette fois elles sont électrisées négativement. Si l'on déplace rélcctromètrc horizontalement au-dessus d'une plaine, le potentiel ne change pas ; mais si la première observation a été faite auprès d'un mur élevé, et qu'on s'en éloigne ensuite en maintenant l'appareil à la même hauteur, le potentiel augmente de plus en plus.
De Saussure a constaté encore que, pour un même état de l'atmosphère, les signes électriques sont beaucoup plus manifestes sur les hauteurs que dans la plaine, et que la hauteur relative du lieu où se fait l'observation, par rapport aux objets qui l'entourent, a beaucoup plus d'influence que l'altitude absolue sur la force apparente de l'électricité atmosphérique. Ainsi l'électricité était plus forte à l'angle d'une terrasse dominant de 15 ou 20 pieds la campagne environnante qu'au milieu d'un plateau étendu qui couronnait une colline élevée. En effet, les couches de niveau doivent être d'autant plus resserrées que la surface du sol présente des reliefs plus marqués, de sorte que, sur une éminence isolée, un petit changement de hauteur' donnera une variation de potentiel beaucoup plus grande.
1066. En un même lieu et à la même hauteur, 1 état électrique éprouve des changements continuels et périodiques aux différentes heures de la journée, et, indépendamment des causes accidentelles qui peuvent modifier l'état de l'atmosphère, l'élec-
trisation moyenne de la journée est variable avec les différentes époques de l'année. Ces variations ont été constatées par tous les physiciens qui se sont occupés de ce genre de recherches ; nous emprunterons quelques résultats aux observations suivies que Quetelet a faites à Bruxelles de 1844 à 1849 (*).
1° L'électricité de l'air subit une variation diurne qui présente généralement deux maxima et deux minima ; l'heure de ces maxima et minima varie aux différentes époques de l'année.
2° Le premier maximum arrive en été avant 8 heures du matin et vers 10 heures en hiver ; le second maximum s'observe après 9 heures du soir en été et vers 6 heures en hiver.
5° Le minimum du jour se présente vers 5 heures en été et vers 1 heure en hiver ; les observations sont insuffisantes pour déterminer la marche du minimum de la nuit.
4° En comparant ces résultats avec les autres éléments météorologiques, on trouve que les variations de l'électricité concordent d'une manière remarquable avec les oscillations diurnes du baromètre et surtout avec les variations de la déclinaison magnétique. On remarquera encore que les maxima d'électricité ont lieu aux heures où les changements de température sont plus rapides, et les minima aux moments où le thermomètre est à peu près stationnaire.
5° L'instant qui représente le mieux l'état électrique moyen de la journée, dans les différentes saisons, arrive vers 11 heures du matin»
6° Dans le cours de l'année, l'électricité atteint son maximum en janvier, puis décroit progressivement jusqu'au mois de juin qui présente un minimum d'intensité, pour augmenter de nouveau ; le maximum et le minimum de Tannée ont pour valeurs respectives 605 et 47, de sorte que l'électricité en janvier est 13 fois aussi énergique qu'au mois de juin.
Quant à la valeur absolue des potentiels atmosphériques, on ne peut pas l'indiquer d'une manière exacte, parce que l'état électrique dans le voisinage de la terre éprouve des changements continuels. M. Thomson a observé, à L'île d'Arran, que la différence de potentiel de deux points situés à un pied de distance
(*) Annuaire météorologique de la France, pour 1850, p- 161.
verticale équivaut à celle de 20 à 40 couples Daniell; mais ou trouve souvent des valeurs 8 ou 10 fois plus grandes, et quelques minutes suffisent quelquefois pour faire varier le potentiel du simple au quadruple, même par un ciel calme ou avec une légère brise de l'est.
Lorsque le ciel est couvert, l'état électrique de l'air est généralement plus faible que dans les temps sereins ; l'électromètre peut môme accuser de l'électricité tantôt positive et tantôt négative. Tous les phénomènes atmosphériques, les nuages, la pluie, la neige, le brouillard, la direction et la vitesse du vent influent sur l'état électrique de l'air, et il est difficile d'indiquer à ce sujet des résultats qui aient un certain caractère de généralité. Les nuages eux-mêmes sont tantôt positifs et tantôt négatifs ; il se rencontre donc dans l'air, au moins par les temps agités, des masses chargées d'électricités différentes.
Une fois bien établie l'existence d'une succession régulière des potentiels par les temps sereins, il est clair qu'une masse de vapeur se condensant en nuage sous ces diverses influences, même en supposant que l'air lui-même ne soit pas électrisé, devra s'électriser en général, tantôt d'une manière et tantôt d'une autre, suivant qu'elle se sera détachée d'un autre nuage par la partie supérieure ou la partie inférieure, qu'elle se sera partiellement résolue en pluie, qu'elle aura touché le flanc d'une montagne, etc., et le nombre des circonstances analogues que l'on peut imaginer est pour ainsi dire illimité.
1067. Siège et origine de l'électricité atmosphérique. -" Les
phénomènes électriques complexes qui se manifestent par les temps agités pouvant ainsi être expliqués par l'état antérieur de l'air, la seule question dont il y ait à se préoccuper, au point de vue théorique, est donc l'état électrique de l'air en dehors de tous ces accidents. Nous reproduirons à ce sujet, et d'une manière presque textuelle, quelques considérations remarquables dues à M. Thomson (*).
La surface extérieure de la terre, déterminée par tous les corps conducteurs qui sont en communication avec elle, est à chaque instant électrisée en tous ses points, puisque son potentiel
(l) Heprinl ofj>apcis\ p. 192 et siliv
est tantôt plus élevé, tantôt plus faible que celui de l'air ambiant, sauf sur les lignes neutres qui séparent les parties négatives des parties positives.
Les parties négatives sont de beaucoup les plus étendues et il doit même arriver que la surface entière soit négative. En effet, on cite à peine quelques observations dans lesquelles l'air se soit montré négatif par un temps serein. Beccaria n'a constaté ce signe que 6 fois pendant \ 5 années d'observations assidues, mais c'était presque toujours par un vent sensible, et l'électricité négative pouvait être attribuée à des régions voisines où l'atmosphère était agitée. Par les mauvais temps, pendant la pluie ou immédiatement après, l'élcctrisation est généralement plus faible et les signes très-variables. On peut donc affirmer que, si le hasard voulait qu'à un instant donné le temps fut serein sur toute la surface du globe, cette surface serait à cet instant négative en tous ses points.
Quant à l'air lui-même, aux nuages et aux autres masses électrisés suspendus dans l'atmosphère, on n'a jusqu'à présent d'autres indications sur leur état électrique que celles qui sont fournies par l'état électrique du sol lui-même et les variations de cet état. Comme Peltier l'a remarqué depuis longtemps, toutes les observations d'électricité atmosphérique faites jusqu'à présent ne se rapportent pas à autre chose. 11 est impossible de déduire l'état électrique d'un corps non conducteur des actions qu'il exerce à l'extérieur, car il existe une infinité de distributions d'une même masse électrique, dans un espace déterminé, qui sont capables de donner à l'extérieur les mêmes surfaces de niveau. On ne pourrait y parvenir qu'en déterminant à chaque point la grandeur et la direction de la résultante, puisque la densité est liée à la manière dont varient les dérivées premières du potentiel, ou les projections de cette force (142). La solution serait ainsi complète ; mais on peut remarquer que, si l'on voulait connaître seulement la quantité totale d'électricité, il suffirait de déterminer la valeur de la composante normale en tous les points de la surface (159). Il faudrait pour cela faire une série d'expériences tout autour de la masse considérée et les observations en ballon deviendraient alors indispensables.
Cependant, sans quitter la terre et, par conséquent, sans pou-
DES SOURCKS UÉLtCTHIClTÉ. 577
voir arriver à une connaissance complète de l'état de l'électricité dans l'atmosphère, on peut déduire quelques conséquences importantes des changements de densité électrique qui surviennent à la surface du sol.
Si la terre était simplement un corps électrisé, placé dans un milieu indéfini parfaitement isolant, soustrait à l'action directe de tout autre corps électrisé et à l'action réflexe de tout corps conducteur ou non placé dans son voisinage et soumis à son influence, la distribution de l'électricité à la surface serait parfaitement définie : elle ne dépendrait que de la forme de cette surface et, théoriquement, on pourrait la déduire par le calcul des données purement géométriques que fournit la géodésie. Si c'était, par exemple, une ellipsoïde, la densité électrique en chaque point varierait proportionnellement à la perpendiculaire abaissée du centre sur le plan tangent en ce point (66). La densité serait maximum sur l'équateur, mais ne dépasserait que de â~ la densité à chaque pôle.
Considérons maintenant une portion étendue de la surface, unie ou couverte d'accidents de toute nature. La quantité totale d'électricité qui y sera contenue sera trôs-approximativement la même que sur une nappe liquide absolument calme qui serait la projection de la surface réelle ; mais cette quantité d'électricité sera distribuée d'une façon très-irrégulière, plus grande sur les parties proéminentes et les surfaces convexes, plus faible sur les parties abritées et concaves; absolument nulle dans l'intérieur d'une cavité, sur le sol d'une foret, sur les parois d'un tunnel ou d'un appartement, alors même que les ouvertures auraient une valeur angulaire considérable.
Si cette espèce de géodésie électrique, déterminée par les expériences, donnait en tous les points de la terre une môme valeur pour la densité réduite, on serait en droit de conclure que l'état électrique du sol est tout à fait indépendant de celui de l'air. Dans ce cas, il n'y aurait que trois hypothèses possibles : ou il n'y a pas d'électricité dans l'atmosphère, ni au-delà, jusqu'aux étoiles les plus éloignées, et alors les lignes de force qui émanent de la terre peuvent s'étendre jusqu'à l'infini ou se terminer à la lune, aux astéroïdes, au soleil, aux planètes, aux étoiles ; ou bien, à une distance considérable dépassant de beaucoup les plus n 57
hautes montagnes , il y a une couche d'électricité de densité uniforme, de quantité égale et de signe contraire à celle du globe, faisant équilibre sur un point extérieur à l'action exercée par cette dernière , et limitant par conséquent cette action à la portion de l'atmosphère située au-dessous d'elle ; ou bien, enfin, il n'y a dans l'atmosphère que des masses électriques présentant quelqu'un de ces modes de distribution en nombre infini en vertu desquels l'action est nulle sur tout point extérieur, et qui ne peuvent, par conséquent, modifier la distribution de l'électricité à la surface du sol.
En réalité, la densité électrique, même par le beau temps, est très-différente à un même instant aux différents points de la terre. Les variations qu'elle éprouve, dans le cours de la journée et aux différentes saisons, démontrent que l'état électrique du sol est profondément influencé par des masses électriques extérieures. On ne peut pas déduire la position exacte et la distribution de ces masses de l'effet qu'elles produisent sur la surface; cependant le caractère des perturbations qu'elles y amènent permettrait d'assigner une limite supérieure à leur distance. Si la densité réduite au niveau de la mer variait suivant une loi continue facile à définir analytiquement, et si les variations en un même lieu étaient connues de la même manière, il serait possible d'évaluer la position et le mouvement probables des masses influentes. Toutes les observations faites jusqu'à présent ne permettent même pas d'aborder le problème, parce qu'elles ont toujours été isolées et discontinues. Il faudrait, au contraire, faire en un même lieu des observations suivies, en inscrivant, par exemple, à l'aide de la photographie ('), les indications d'un électromètre, et installer une série d'électromètres à des distances peu éloignées, afin de déterminer si les variations qu'éprouve chacun d'eux sont dues à un accident local ou à une cause plus générale.
On voit, d'après ces considérations que nous avons abrégées et pour lesquelles nous renvoyons le lecteur aux mémoires de M. Thomson^ que la question de l'électricité atmosphérique est encore loin d'être éclaircie» Il parait bien démontré qu'il existe
[*) hv.prhit of puperS, p. 225-
dans les régions supérieures de l'atmosphère des masses électriques considérables, comme l'indique encore le phénomène des aurores boréales, qui paraissent être des lueurs électriques dans l'air raréfié à une très-grande hauteur; mais la situation véritable des couches électriques, leurs déplacements et leur origine constituent des problèmes encore à peine effleurés. Pour étudier d'une manière méthodique ces questions qui ont un si grand intérêt au point de vue de la météorologie générale, il faudrait donc organiser un système d'observations complètement différent de celles qui ont été effectuées jusqu'à présent.
M. Balfour Stevart, par exemple, a installé à l'observatoire météorologique de Kew, d'après les indications de M. Thomson, un électromètre à miroir dans lequel l'état éleclrique de l'air se traduit par l'impression photographique de l'image d'une flamme sur une bande de papier mobile. L'examen des courbes ainsi obtenues donne une idée des variations rapides de ce phénomène et montre bien que les observations discontinues ne peuvent être suffisantes. La question de l'électricité atmosphérique paraît aujourd'hui préoccuper la plupart des météorologistes, et il y a lieu d'espérer que cette science ne tardera pas à faire de nouveaux progrès.
