Sommaire :
I- Introduction
II- Principe de la machine de Wimshurst
III- Principe de la machine de Holtz
IV- Principe de la machine de Carré
V- Conclusion
Les machines électrostatiques ont été découvertes au 19e siècle. Même si elles ont subi des modifications dans le but d’obtenir un meilleur rendement le principe de base n’a pas été remis en cause. Nous nous attarderons sur la description de la machine de Wimshurst qui regroupe bon nombre d’éléments communs aux machines électrostatique (Phénomène d’influence disque en rotation. Nous étudierons aussi les machines de Van de Graaf et de Holtz de manière plus succinctes étant donné que bon nombre des phénomènes mis en cause dans celle-ci ont été décrits pour la machine de Wimshurst.
II-Principe de La machine de Wimshurst
Pourquoi la machine de Wimshurst ? Elle n'a aucun intérêt industriel : sa puissance est de l'ordre du watt (c'est cependant plus que suffisant pour repeindre votre vélo !) Les vieilles machines à frottement (Ramsden, Le Roy, Nairne) ont un fonctionnement capricieux et un faible débit. Les machines modernes (Félici, Jolivet, Félici et Gartner) sont d'une technologie trop complexe. Enfin, parmi les générateurs à influence (Toepler, ler et 2eme machines de Holtz), la machine de Wimshurst cumule deux avantages : elle est auto-excitée (une manivelle suffit à la faire fonctionner), et son excitation est indépendante de la charge des pôles (elle ne se désamorce pas).
Le générateur se compose de deux plateaux identiques, sur lesquels sont généralement collées des bandes de papier d'étain, et qui tournent en sens inverse. Deux conducteurs diamétraux, à 60° , portent à leurs extrémités des balais frottant sur les plateaux. Deux paires de peignes recueillent les charges des plateaux, et chargent les condensateurs de l'appareil. Un éclateur réglable complète le tout.
Etude qualitative du fonctionnement.
Le fonctionnement est symétrique, avant-arrière, au signe près. Considérons un demi-tour de plateau. Nous allons étudier, en supposant les plateaux munis de secteurs métallique, les phénomènes chaque zone afin de mieux comprendre le fonctionnement global de la machine de Wimshurst.
Les bandes du plateau avant sont en contact avec le peigne initialement chargé négativement, donc les bandes du plateau avant se charge négativement. Par influence, des charges apparaissent sur la face intérieur du disque avant.
Le secteur avant est mis à la terre (ou en contact avec le secteur diamétralement opposé, si les porte-balais sont isolés) par le balai (déverseur). C'est ici que se produit la charge par influence du secteur avant.
Il y a superposition de deux états : la charge positive acquise par le secteur dans la zone N° 2, et l'influence comme dans la zone N° 1. La charge des secteurs avant est maintenant positive.
L'effet symétrique de celui de la zone N°
2 se produit pour les secteurs arrière; ils acquièrent là
une charge, qui ira ensuite influencer les secteurs avant dans la zone
N°2 .C’est grace à la présence de ces
charges sur le plateau arrière que les charges de la face intérieure
du plateau avant sont retenues. Les charges intérieures des deux
plateaux permettent de garder les charges des secteurs jusqu’aux peignes.
Zone 5 : les secteurs avant, toujours chargés positivement progressent vers les peignes de la borne positive.
Zone 6 : Le secteur avant venant du haut et le secteur arrière venant du bas se déchargent entre les peignes, en effet les deux secteurs indiqués ci-dessus ont subit des phénomènes symétriques: nous sommes à l'intérieur d'une cage de Faraday.
Bien entendu, il se produit sur les autres demi-plateaux
des effets symétriques. On pourra symboliser les distributions électriques
induites par influence sur le schéma. Les plateaux sont représentés
par des cercles concentriques. Le cercle le plus petit symbolise le plateau
avant et le second cercle le plateau arrière. Les charges indiquées
représentent la charge globale du secteur.
Fonctionnement quantitatif.
Le fonctionnement de la machine de Wimshurst n'est pas aussi simple qu'il apparaît à première vue, et il sort du cadre de cette étude. La littérature scientifique semble parsemée d'approximations à ce sujet. Une étude approfondie des équipotentielles ou du champ autour de la zone N° 2 est nécessaire.
La figure ci-dessus nous montre que le champ électrique
se ressère vers le secteur à la terre. Le théorème
des éléments correspondant nous montre alors que la charge
du secteur à la terre est supérieure à la charge unitaire
des secteurs du disque opposé. Le processus de la zone N° 2
est divergent, et la charge des secteurs électriques augmente jusqu'à
la limite de fuite (on observe facilement ces fuites dans l'obscurité).
On peut réaliser le transport des charges sur l'isolant, en ne collant
pas de secteurs métalliques. Il faut alors remplacer les balais
par de soigneux peignes ioniseurs. On l'appelle machine de Bonetti. Avec
des secteurs métalliques et des balais elle est plus simple à
construire et à mettre au point, malgré les inconvénients
(plus de fuite, " réaction d'induit " plus importante). La machine
électrostatique de Bonetti n’est qu’une version améliorée
de la machine de Wimshurst.
Schéma du générateur.
Les pôles de la machine se chargent donc d'électricités contraires. Deux bouteilles de Leyde permettent une accumulation suffisante des charges. Remarquons la construction symétrique par rapport à la masse : nous aurons simultanément les deux électricités. La machine électrostatique ainsi construite est caractérisé par son courant de court-circuit, sa conductance interne (fuites) et la d.d.p. fournie. Il y a transport de charges électriques, c'est donc un générateur de courant!
La d.d.p. maximale que peut fournir la machine n'est limitée
que par ses fuites : aigrettes, étincelles entre les différentes
parties.
Les meilleures montent à 100 kV (10 à 15 cm d'étincelles).
Quelques potentiels explosifs dans l'air sec entre boules 1 cm, - 25 kV
- 3 cm, - 50 kV - 10 cm, - 80 à 100 kV.
Réversibilité :
Le très faible rendement des machines anciennes
rend l'expérience délicate, (avec 2 machines, les amorcer,
dérailler les courroies du moteur).
Amorçage :
Pour amorcer la machine il suffit de présenter
un bâton électrisé à l'opposé d'un balai,
ce qui amorce le cycle d'influence, et détermine le signe des pôles.
Même l'éclateur ouvert, la machine démarre.
La machine est symètrique et le signe des pôles dépend
des conditions initiales. En utilisant pour l'amorçage un bâton
frotté dont on connaît le signe de l'électricité,
il est possible de démarrer la machine déchargée avec
le signe voulu sur le pôle voulu.
III- Principe de la Machine de Holtz
Construite en 1865, cette machine est dite à influence et permet d'obtenir un accroissement de charge continu au lieu d'être intermittent comme dans la machine de Ramsden.
Elle se compose de deux plateaux de verre, disposés
verticalement, distants l'un de l'autre de 3 ou 4 millimètres. L'un
des plateaux est fixe et le second peut prendre un mouvement rapide de
rotation au moyen d'une poulie-manivelle. Ce plateau est d'un diamètre
légèrement plus petit que celui du plateau fixe. Celui-ci
porte aux extrémités d'un même diamètre horizontal,
deux ouvertures disposées symétriquement. Sur les parties
supérieures et inférieures, des bandes de papier terminées
par une languette en forme de pointe sont collées symétriquement.
Ces feuilles, appelées armatures, font communiquer le plateau fixe
en deux points situés aux deux extrémités du même
diamètre.
Près de la face du plateau mobile se trouvent
deux peignes métalliques terminés chacun par une sphère.
Deux tiges munies de poignées isolantes les traversent et peuvent
être rapprochées plus ou moins jusqu'à venir au contact
l'une de l'autre.
Pour produire de l'électricité, on
met les deux tiges en contact, puis on amorce la machine, en touchant l'armature,
avec une lame d'ébonite électrisée négativement.
On fait tourner le plateau et la machine s'amorce. En écartant les
tiges, des étincelles éclatent alors entre elles.
Le principe est basé sur l'échange
d'électricité, de noms contraires, produites sur les parties
externes et opposées des plateaux qui, par influence et par l'intermédiaire
des armatures et des peignes produisent des réactions mutuelles
augmentant les flux d'électricité. L'accumulation se fait
en progression géométrique si l'on fait abstraction de la
déperdition par l'air et les supports.
IV- Principe de la machine de Carré
C'est une machine à influence qui se compose de deux plateaux verticaux tournant en sens inverse par rapport à leurs axes horizontaux. Ils sont situés à une faible distance l'un de l'autre et se recouvrent mutuellement des 3/4 de leurs rayons. Le disque inférieur en verre tourne lentement au moyen d'une manivelle et vient frotter sur deux coussins en cuir. Le disque supérieur en ébonite est d'un diamètre beaucoup plus grand que celui en verre. Il tourne rapidement grâce à la démultiplication d'une poulie fixée sur l'axe comportant la manivelle. Le plateau de verre après s'être chargé positivement vient à travers le plateau d'ébonite agir par induction sur un peigne et en soutirer l'électricité négative qui se rend sur le disque d'ébonite. Ce peigne aboutit à une tige articulée, formant l’éclateur, et située à une distance réglable d'un conducteur supérieur constitué par un gros tube de laiton horizontal supporté par deux colonnes, l'une en verre, l'autre en ébonite. L'ensemble repose sur un support en bois constituant le socle de la machine.
Le plateau d'ébonite tournant très
vite, l'électricité négative déposée
sur sa surface va induire un second peigne en communication avec le conducteur
supérieur, qu'il va charger d'électricité négative,
l'éclateur restant électrisé positivement par le peigne
inférieur.
Il y a transport de charges électriques,
c'est donc un générateur de courant! La machine de Carré
est peu sensible à l'humidité et permet d'obtenir des tensions
élevées.
Les applications industrielles de l'électrostatique
se développent : peinture électrostatique, photocopie par
xérographie pièges à fumées, dépoussiérage,
etc. Ce n'est plus un amusement de cabinet de Physique! Les forces de cohésion
de l'atome sont sur tout électrostatiques, et elles sont considérables.
Auteur : Paillot Nicolas, Wang Qi, Zhao Shen
Dernière mise à jour :
Pour plus d'informations sur les machines électrostatiques voici
quelques adresses :
- http://www-physique.u-strasbg.fr/%7Eudp/articles/wimshurst/wimshurst.htm
: très intéressant, c'est là que j'ai pris la pluspart
des renseignements que j'ai utilisés.
- http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html
: tout en anglais, mais avec beaucoup d'illustrations