MACHINES A FROTTEMENT

826. Aperçu historique. — Une machine électrique se compose essentiellement de deux corps qu'on électrise en les frottant, et de conducteurs de dimensions variables sur lesquels on recueille l'une ou l'autre des deux éleclricités développées par le frottement, ou môme quelquefois les deux électricités séparément. D'après cette définition, le globe de soufre d'Otto de Guéricke (3), ni les appareils si ingénieux construits par Ilauksbée (4) pour faire tourner rapidement des cylindres ou des globes de verre, et avec lesquels on obtenait de grandes quantités d'électricité, ne doivent cependant pas être considérés comme de véritables machines électriques, parce qu'on se bornait alors à utiliser les corps frottés eux-mêmes pour répéter les différentes expériences, ce qui en rendait l'usage fort incommode. On comprend donc que les électriciens aient abandonné les machines d'Hauksbée, auxquelles il restait si peu de chose à ajouter, et se soient bornés pendant longtemps encore à l'emploi des tubes de verre frottés à la main.

8*27. Bose (4) revint à l'emploi des globes de verre, et il imagina d'y ajouter un conducteur formé d'un cylindre de fer blanc sur lequel l'électricité du globe frotté s'échappait sous forme d'étincelles; il reconnut aussi qu'il était avantageux de terminer le cylindre à l'extrémité la plus voisine du globe par un paquet de

(*) Die Electricitat nach ihrer Entdeckung und Forlgang, etc. ^Wittenberg-1744).

fils qui facilitaient singulièrement le passage de l'électricité. Ce cylindre fut d'abord soutenu par un homme placé sur un tabouret isolant, puis on le suspendit à des cordons de soie. C'est de là que date véritablement l'invention des machines électriques ; Bose reconnut même que si la machine et l'homme qui la met en action sont aussi isolés, ils donnent également des signes d'électricité. L'usage du globe et du conducteur fut aussitôt généralement adopté. Winckler (l) eut l'idée de substituer un coussin de laine à la main que l'on avait employée auparavant pour frotter le globe, mais la main bien sèche fut encore considérée pendant plusieurs années comme le moyen le plus efficace d'électriser le verre.

La machine électrique de l'abbé Nollet se composait d'un globe de verre animé d'un mouvement rapide de rotation à l'aide d'une grande roue et d'une corde de renvoi, et un observateur maintenait les deux mains sur le globe. L'électricité était recueillie par des conducteurs métalliques suspendus à des cordons de soie, dont l'un se terminait à une distance du globe assez petite pour que l'intervalle fût franchi par des étincelles. Souvent même ce premier conducteur était terminé par une chaîne qui pendait sur le globe et rendait ainsi la communication d'électricité plus facile.

Pour obtenir des quantités d'électricité plus grandes, Watson (2) fit construire une machine dans laquelle quatre globes de verre, portés entre deux montants en bois et frottant sur des coussins séparés, étaient mis en mouvement par une grande roue et quatre cordons distincts. Un conducteur isolé était terminé par des bandes d'étoffe qui touchaient tous les globes et en récoltaient l'électricité.

828. Ces machines à globe prirent des formes très-variées ; on chercha d'abord à augmenter la vitesse de rotation par l'emploi de cordes de transmission ou môme de roues dentées ; mais on ne tarda pas à reconnaître que les appareils supportaient mal des rotations très rapides et qu'il y avait surtout avantage à augmenter les surfaces de frottement. Les travaux de Franklin sur

(*) Gedankcn von den Eigemehaften,... ncbst Beschrcibung zwcyer neuen elecirischen Maachinen (Leipzig-1744).

(2) Priestley, t. 11 1, p. 84.

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tes propriétés des pointes donnèrent en outre le moyen de faire passer l'électricité du corps frotté aux conducteurs sans établir le contact. Wilson décrivit en 1752 (*) une machine électrique composée d'un cylindre de verre horizontal de 12 pouces de longueur (50 centimètres) et de 5 pouces de diamètre, frottant sur un long coussin placé en-dessous et mis en mouvement rapide par une grande roue et une corde. Le conducteur était un cylindre de métal terminé en boules à ses extrémités et soutenu par des cordons de soie ; une tige verticale attachée à ce conducteur descendait jusqu'auprès du cylindre de verre .où elle se terminait par un peigne métallique. Enfin le coussin était en cuir, recouvert de feuilles métalliques d'or, d'argent ou de cuivre, et appuyé par des ressorts sur la surface du cylindre. A partir de cette époque, la machine électrique est donc munie de tous ses organes essentiels, et les modifications ne doivent plus porter que sur des détails de construction.

La machine électrique de Cavallo (2) est aussi formée d'un cylindre de verre. Le conducteur est porté par des pieds en verre revêtus de cire d'Espagne; le coussin est recouvert d'une feuille d'étain, d'amalgame d'étain (Canton) ou de zinc (Higgins), ou simplement d'or mussif ; enfin le coussin est muni d'une large bande de taffetas huilé qui s'applique sur toute la partie supérieure du cylindre et empoche l'électricité développée par frottement de s'échapper dans l'air avant d'être parvenue en face des pointes du conducteur.

La machine célèbre construite par Nairne en 1775 (5) ne différait de la précédente que par l'addition d'un nouveau conducteur isolé par lequel était porté le coussin. De cette façon, on pouvait recueillir en même temps l'électricité négative du coussin et l'électricité positive du conducteur à peigne, ou simplement l'une quelconque des deux électricités, en isolant le conducteur correspondant et mettant l'autre conducteur en communication avec le sol. Le cylindre delà machine de Nairne avait 12 pouces de diamètre et 19 pouces de longueur (48 centimètres) ; les frotteurs, 14 pouces de longueur sur 5 de largeur; on obtenait entre

(4) A Treatise on electricily, London.

(2) Traité d'électricité, p. \L2h.

(5) Phil.trans. abridg,, vol. XIII, p. 498 (1774,.

248 TRAITÉ D'ÉLECTRICITÉ STATlnlJK.

les deux conducteurs des étincelles de 12, et même quelquefois de 14 pouces de longueur (55 cenlimètres).

829. Différents physiciens paraissent avoir eu, à la même époque, l'idée de remplacer les globes et les cylindres de verre par des plateaux de verre tournant autour d'un axe horizontal et frottant contre des coussins fixes. Sigaud de la Fond (*) dit avoir construit dès 1756 une petite machine avec un plateau de cristal qui était frotté sur l'une des faces par un coussin; mais, n'ayant pas songé à faire passer le verre entre deux coussins situés de part et d'autre, il ne tarda pas à briser son plateau. Ingenhouz (2) employa vers 1764 une machine semblable dont le plateau avait 15 pouces de diamètre. Jusque là les boules, les cylindres ou les plateaux étaient animés d'un mouvement de rotation rapide; quand les appareils acquirent de grandes dimensions, il devint dangereux de leur donner de pareilles vitesses et l'on se borna à les faire tourner directement par une manivelle. Le Roy (s) fit construire une machine formée d'un plateau mû à la main et frottant contre une seule paire de coussins. Les conducteurs étaient deux cylindres horizontaux placés en face des extrémités du diamètre horizontal du plateau ; l'un des cylindres portait le double coussin qui embrassait le plateau, et l'autre se terminait à une petite distance de la surface du verre. Ces deux conducteurs se chargeaient ainsi d'électricités contraires, comme dans la machine de Nairne.

Peu de temps après, Cuthbertson fît une machine avec deux plateaux de verre de 31 pouces (près de 80 centimètres) de diamètre, dont chacun tournait entre deux paires de coussins placés en haut et en bas. L'appareil était placé sur une table à pieds de verre et les coussins communiquaient avec un grand conducteur de cuivre, qui se chargeait ainsi d'électricité négative. Entre les deux plateaux et aux deux extrémités du diamètre horizontal se trouvait un double peigne que l'on mettait en communication avec le sol. C'est avec une machine de ce genre à peignes isolés, construite aussi par Cuthbertson, que Van Marum fît la plupart de ses belles expériences d'électricité. Enfin, la forme actuelle

(*) Précis des ])hénomènes électriques, 2e édition, p. 47. [») Phil. tram, abridged, vol. XIV, p. 598 (1779), (3) Mémoire de l'Académie (1772\ Ire partie, p. 499.

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des machines électriques à frottement, où les coussins sont en communication permanente avec le sol et les conducteurs terminés par deux peignes contournés en mâchoire autour du plateau, parait due à Ramsden.

Une forme un peu différente fut encore imaginée plus tard parVanMarum ('). Le plateau était porté à l'extrémité d'un axe horizontal et tournait entre deux paires de coussins montés latéralement sur des pieds isolants. Une disposition sur laquelle nous reviendrons, permettait encore de recueillir à volonté l'une ou l'autre des deux électricités.

830. On conçoit d'ailleurs que tout corps capable d'être électrisé par frottement puisse servir à la construction d'une machine électrique; tels sont, par exemple, le bois, les résines, le taffetas, les étoffes de laine et de soie, le caoutchouc, etc. On a fait avec ces diverses substances des machines dont l'usage ne s'est pas répandu, mais dont quelques-unes étaient assez curieuses. Sigaud de la Fond décrit, par exemple, une grande machine que de Walckiers fit construire à Paris en 1784 et qui causa l'admiration des physiciens par la puissance des étincelles et la quantité d'électricité qu'elle produisait. Elle était formée essentiellement par une bande de taffetas sans fin, enduit de matière huileuse, enroulée sur deux cylindres de bois horizontaux dont l'un recevait d'une manivelle un mouvement de rotation. Cette bande tournait ainsi d'une manière continue et, en quittant chaque cylindre, elle s'électrisait en frottant sur une peau de chat portée par une lame de métal. A égale distance des rouleaux et entre les deux bandes de taffetas était placé un conducteur cylindrique, muni de pointes ou de lames de métal saillantes qui recueillaient l'électricité développée sur l'étoffe parle frottement. Des machines de cette nature étaient trop défectueuses pour devenir autre chose qu'un objet de curiosité et nous nous bornons à en signaler l'existence. On pourra trouver dans l'ouvrage de F. Saxtorph (2) des renseignements détaillés et généralement très-exacts sur les principales machines électriques du siècle dernier.

(1) Deuxième continuation des expériences, etc. (Harlem — 1797).

(2) Darstellung der gesarnmten, auf Erfahrung und Ver suc Ue gegi undeten Electricitatslehre. Traduction allemande par B. Fangel. Kopenhagen — 1805.

Nous remarquerons seulement , comme conclusion de cette revue rapide, que la découverte des machines électriques à frottement n'appartient en réalité à personne ; les progrès dans la construction de ces appareils se sont développés peu à peu, et toutes les modifications ont été successivement essayées. C'est avec cette restriction que l'on peut conserver encore, pour abréger le langage, les noms de Ramsden, de Nairne, de Van Marum, etc., afin de désigner une disposition particulière donnée aux différents organes d'une machine électrique. Nous allons maintenant examiner d'une manière plus complète la construction et les propriétés de ces appareils, en prenant pour type la machine dite de Ramsden, et nous pourrons ensuite passer rapidement sur la description des autres modèles.

851. Machine de Ramsden. — Toute machine à frottement comprend trois parties essentielles : le corps frotté, les coussins et les conducteurs. Dans la machine de Ramsden, le corps frotté est un plateau de verre P (fig. 225) que l'on fait tourner autour d'un axe horizontal, soit d'une manière rapide à l'aide d'une corde de transmission, soit, pour les plateaux de grandes dimensions, par une manivelle qui commande directement l'axe de rotation. Le choix du verre a une grande influence et l'on doit rechercher surtout ceux dont la conductibilité superficielle est la plus faible. À cet égard, les glaces de fabrication ancienne paraissent avoir une supériorité marquée qu'elles doivent sans doute à une proportion moindre d'alcalis. Les glaces récentes s'améliorent d'ailleurs par l'usage.

On a cherché souvent, soit à remplacer les plateaux de verre, soit à les recouvrir de substances isolantes capables de produire plus d'électricité, mais tous les essais que l'on a tentés dans cette direction ont été successivement abandonnés. Ainsi, des plateaux de soufre ou des enduits de soufre et de résine réussissent trèsbien quand ils sont récemment préparés, mais il se produit bientôt des gerçures et des fentes qui en font perdre tous les avantages. De même, les plateaux de caoutchouc durci (ébonite) joignent à la propriété d'être moins fragiles celle de fournir une très-grande quantité d'électricité ; mais ces plateaux éprouvent des déformations, surtout quand on les chauffe, et subissent au bout de quelque temps une altération chimique superficielle qui

affaiblit les effets électriques dans une grande proportion; il est nécessaire de renouveler assez souvent les surfaces en les lavant avec une dissolution de potasse ou mieux en les frottant avec du papier d'émeri. Le verre est de toutes les substances celle qui conserve le mieux ses propriétés; il est seulement utile de temps en temps de le nettoyer avec de l'alcool ou une essence pour enlever toutes les matières que le frottement des coussins

Fiff. 225.

y aurait laissées, et il y a quelquefois avantage à enduire la surface d'une couche de graisse extrêmement faible.

832. Les frottoirs sont formés par quatre coussins CC, en cuir rembourré de crin, portés par deux montants en bois situés de part et d'autre du plateau. Ces coussins sont appliqués sur le verre par des ressorts, de sorte que si le plateau n'est pas absolument plan ni perpendiculaire à l'axe de rotation, les petits déplacements qu'il éprouve ne risquent pas de le briser. On n'a

pas lardé à reconnaître qu'il était avantageux de couvrir le coussin de substances métalliques. Van M arum garnissait les coussins d'une bande de taffetas ciré recouverte de feuilles d'étain ; mais les feuilles de métal, étain, or, argent ou cuivre, se déchi rent trop facilement ou sont trop dures, ce qui produit des rayures sur le verre. Les poussières métalliques que l'on obtient en pulvérisant certains amalgames peuvent être étalées sur le cuir en couche continue et ne présentent pas les mêmes inconvénients. On emploie généralement des amalgames d'étain, de zinc et de bismuth. Un grand nombre de recettes ont été proposées pour ces amalgames; le plus employé est celui de Kienmayer composé de 2 parties de mercure, 1 de zinc et 1 d'étain. L'état physique du mélange paraît jouer un rôle plus important que la composition elle-même : il faut que l'amalgame se réduise en une poudre très-fine, de manière à pouvoir former une couche uniforme parfaitement adhérente. Tel est, par exemple, l'alliage trèscassant que l'on obtient, d'après M. Bôttger (1), en fondant un mélange bien homogène de 2 parties de zinc et de 1 de mercure. L'efficacité des métaux s'explique d'ailleurs par la grande tendance qu'ont ces corps à se charger d'électricité négative par frottement, et les recherches de M. Gaugain ont montré que le mercure, le bismuth, l'étain et le zinc jouissent au plus haut degré de cette propriété. L'or mussif (bisulfure d'étain) donne à peu près les mêmes effets, et si quelquefois il ne semble pas réussir, cela tient presque toujours, comme l'a remarqué Masson, à ce que l'or mussif du commerce renferme encore une grande proportion du sel ammoniac qui a servi à le préparer ; il suffît de le laver à grande eau et de le dessécher avec soin pour lui restituer toutes ses propriétés électriques.

Quel que soit le mélange adopté, on peut préparer les coussins comme l'indique Masson. L'amalgame (ou For mussif) est d'abord pulvérisé très-finement, puis chauffé et étalé sur des feuilles de papier chaud afin d'enlever les moindres traces d'humidité. Les coussins sont chauffés puis recouverts d'une petite quantité de suif, et on les frotte l'un contre l'autre pendant longtemps jusqu'à ce qu'il n'y reste plus qu'une couche de matière

(J) Pogg. Ann., t. CXXXVII, p. 175. — Annales de Chimie el de Physique, 4e série, t. XVIII, p. 445.

grasse extrêmement faible et parfaitement continue ; on les applique alors sur l'amalgame, puis on les frotte de nouveau et on répète cette opération jusqu'à ce qu'ils aient pris un aspect uniformément métallique, sans aucun dépôt irrégulier d'amalgame. L'addition d'une petite quantité d'or mussif contribue encore à rendre les surfaces plus lisses et plus onctueuses. On peut aussi recouvrir les coussins d'une bande de taffetas comme le faisait Van Marum et y appliquer la couche d'amalgame; les inégalités du tissu retiennent la couche métallique plus facilement que la surface polie du cuir, et les coussins se conservent plus longtemps en bon état.

Les coussins ainsi métallisés sont mis en communication conductrice avec des baguettes de cuivre encastrées dans les montants en bois ; ces baguettes se terminent à la partie inférieure par un bouton de métal, auquel on attache une chaîne qu'on laisse traîner sur le sol. Si la table de la machine repose sur un sol peu conducteur, comme un dallage en marbre, un plancher ciré et surtout une couche d'asphalte, il est nécessaire de relier cette chaîne avec des corps qui communiquent avec le sol d'une manière plus parfaite, tels que les tuyaux de distribution du gaz ou les conduites d'eau.

Enfin, comme les conducteurs destinés à recueillir l'électricité du plateau aboutissent aux extrémités du diamètre horizontal, il en résulte que les points du verre frottés par les coussins ne parviennent en face des conducteurs qu'après un quart de révolution du plateau ; pour diminuer la déperdition que ces quadrants électrisés éprouvent par le contact de l'air, on les entoure habituellement de deux bandes de taffetas montées sur un cadre qui s'attache aux coussins.

855. Le conducteur est formé le plus souvent de deux cylindres D D' de laiton creux, terminés par des boules sphériques, réunis à leurs extrémités éloignées par une traverse en cuivre, et portés par des pieds en verre verni à la gomme laque. Ces cylindres ne doivent présenter aucune forme anguleuse : les garnii ures des pieds, les vis d'attache et toutes les pièces terminales sont arrondies en sphères ou en anneaux pour éviter le plus possible la déperdition. En principe, il y a tout avantage à augmenter la surface et les dimensions du conducteur, pour accroître

la capacité électrique et rendre les étincelles plus puissantes ; mais, en pratique, outre que les appareils deviennent encombrants, on est bientôt arrêté parce que les déperditions qui ont lieu par l'air et par les supports ne tardent pas à équilibrer le débit de la machine ; il faut donc garder une certaine proportion entre les dimensions du conducteur et celles du plateau. Pour ralentir ces déperditions, il est bon d'essuyer les pieds de verre avec un linge sec et chaud, de les enduire dune légère couche de suif et même, par les temps humides, de placer un fourneau à charbon de bois sur la table. Un électromètre à cadran de Henley E sert à indiquer l'état électrique de l'appareil. Aux extrémités voisines du plateau, les conducteurs sont terminés par des mâchoires métalliques S et S', qui embrassent la lame de verre sur une longueur à peu près égale à celle des coussins, et qui sont munies à l'intérieur d'un certain nombre de pointes pour faciliter les communications électriques.

Quand on tourne le plateau d'un mouvement uniforme, les conducteurs se chargent peu à peu d électricité positive et prennent un potentiel croissant, comme le montre la divergence du pendule; mais il arrive bientôt un moment où le pendule reste stationnaire, et, si la machine est en bon état, on voit alors des aigrettes qui s'échappent des différents points des conducteurs et même des étincelles curvilignes qui éclatent entre les coussins et les mâchoires en léchant la surface du verre. Si l'on établit une communication entre les conducteurs de la machine et d'autres corps convenablement isolés, on voit encore la divergence du pendule augmenter, mais d'une manière plus ou inoins lente suivant la capacité du nouveau conducteur, et se maintenir au même point que précédemment. La machine, au moins quand elle est animée d'un mouvement uniforme, se comporte donc comme une source que l'on peut définir par la quantité d'électricité qu'elle débite pendant l'unité de temps, et par le potentiel maximum quelle peut établir sur un conducteur.