Électricité statique
Par "électricité statique", on entend l'électricité qui, dans une certaine mesure, reste immobile, alors que l'"électricité dynamique" que l'on étudiera plus loin se déplace, d'où l'expression "courant électrique" qui implique une idée de flot, de mouvement.
L'électricité statique se localise, se répartit et s'accumule sur la surface d'un conducteur ; on dit alors qu'il s'électrise.
Dans certaines conditions, néanmoins, il se produit une décharge électrique.
Un corps peut s'électriser de plusieurs manières. Nous parlerons ici de l'électrisation par frottement, par contact et par influence.
8. Électrisation par frottement
Quand on frotte certains corps l'un contre l'autre, les électrons extérieurs quittent le corps où ils sont le moins retenus et sont captés par l'autre corps.
On sait que les électrons sont d'infinies particules chargées négativement.
Le corps privé d'une partie de ses électrons devient donc électriquement positif, tandis que le corps qui capte un surplus d'électrons devient électriquement négatif.
Une tige de verre, un bâtonnet de caoutchouc ou de résine frottés sur une peau de chat ou une flanelle (fig. 2.1) s'électrisent et, électrisés, acquièrent la propriété d'attirer de petites parcelles de papier, de soie, etc. (fig. 2.2).
Fig. 2.1 Électrisation par frottement
Fig. 2.2 Propriété d'un bâtonnet électrisé
Le verre frotté par la flanelle capte les électrons cédés par celle-ci : il se charge donc négativement, tandis que la flanelle devient électriquement positive.
Séparés, chacun garde sa charge respective, mais dès qu'un nouveau contact se produira, le surplus d'électrons captés par le verre reviendra sur la flanelle.
Les corps tendent toujours à reprendre leur équilibre, c'est-à-dire l'état normal caractérisé par un minimum d'énergie interne : les charges s'annulent.
L'électricité engendrée par frottement dépend à la fois de la matière frottante et de la matière frottée.
La liste suivante, attribuée à Faraday, énumère les corps dans un ordre déterminé par la facilité avec laquelle ils cèdent des électrons.
Il s'ensuit qu'un corps frotté avec l'un de ceux qui le précèdent deviendra électriquement négatif ; il deviendra, par contre, électriquement positif s'il est frotté avec l'un des corps qui le suivent.
1 - peau de chat
2 -
flanelle
3 - ivoire
4 - cristal de roche
5 - verre
6 - coton
7 -
soie
8 - corps humain
9 - bois 10-métaux
11 - caoutchouc
12 -cire à
cacheter
13 -résine
14 - soufre
15 - gutta-percha
16 - fulmicoton
(coton-poudre)
9. Électrisation par contact
Si l'on met en contact d'un conducteur électrisé un second conducteur isolé par un manche de verre, on constate, après les avoir séparés, que le second conducteur s'est électrisé.
10. Électrisation par influence (induction)
Un corps placé dans le voisinage d'un corps électrisé, sans que les deux conducteurs se touchent, s'électrise lui-même.
Pour le démontrer, on utilise l'électroscope à feuilles (fig. 2.3).
Fig. 2.3 Électroscope à feuilles
Cet appareil se compose d'une cage métallique vitrée en communication avec la terre, afin d'éviter toute influence de corps électrisés pouvant se trouver dans le voisinage.
La cage porte à sa partie supérieure une ouverture fermée par un bouchon isolant au travers duquel passe une tige métallique dont une extrémité se termine par une boule, en métal également. Sur l'autre extrémité sont fixées deux feuilles très légères, en or ou en aluminium.
L'électroscope permet de reconnaître le signe des charges et d'apprécier leur intensité.
On frotte un bâtonnet de résine sur une peau de chat et on l'approche de la boule de l'électroscope.
On constate alors qu'à partir d'une certaine distance les feuilles s'écartent et qu'au fur et à mesure que la distance diminue l'écartement des feuilles augmente.
Lorsque, le bâtonnet touche la boule, les feuilles reprennent leur position normale, car l'équilibre s'est rétabli.
11. Attraction et répulsion électriques
L'expérience montre donc qu'il existe deux espèces d'électricité : une électricité positive et une électricité négative, et que deux corps chargés d'électricité de même nom se repoussent, tandis que deux corps chargés d'électricité de nom contraire s'attirent (fig. 2.4).
Fig. 2.4 Répulsion et attraction électriques
Lorsque deux corps de charges d'inégales valeurs viennent en contact, l'équilibre se produit par un échange d'électricité s'effectuant de la charge la plus élevée vers la charge la plus faible.
12. Lois des attractions et des répulsions
Coulomb se livra sur de petites sphères électrisées à des expériences desquelles résultent les lois suivantes.
Coulomb (Charles-Augustin De) Physicien français (1736-1806), membre de l'Académie des Sciences.
Loi des distances
Deux sphères électrisées exercent entre elles une force de répulsion ou d'attraction dont la valeur est inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare leurs centres.
Loi des quantités
Considérons une sphère S subissant la force de répulsion ou d'attraction de deux autres sphères S1 et S2.
Si S1 et S2 placées à la même distance de S exercent sur elle la même action on dit que S1 et S2 possèdent la même quantité d'électricité (charges identiques).
Par contre, si S2 exerce sur S une action 2,3,4,. . ., n fois plus grande que S1, on dira que S2 possède une quantité d'électricité (charge) 2,3,4, . . ., n fois plus grande que S1.
Unité de quantité — Coulomb
La force qu'exercent entre elles deux sphères électrisées est donc inversement proportionnelle à leur distance et directement proportionnelle au produit de leurs charges.
Ces deux lois de Coulomb s'expriment par l'équation suivante :
f = qq' / d2
dans laquelle,
f = force de répulsion ou d'attraction
qq' = valeurs respectives des charges
d = distance séparant les centres des sphères
Mais pour mesurer q et q il faut une unité de quantité électrique.
L'unité C.G.S. est la quantité d'électricité que contiennent deux sphères dont les centres sont distants de 1 centimètre et qui exercent entre elles une force de répulsion de 1 dyne ; beaucoup trop petite, on la remplace couramment par une unité pratique, le coulomb.
Le coulomb représente une quantité d'électricité comme le gallon représente une quantité de liquide ; il équivaut à la charge électrique de 6.28 X 1018 électrons (6.28 milliards de milliards d'électrons).
13. Potentiel électrique
Pour aider à comprendre l'électricité on la compare souvent à l'eau.
Dans un tuyau, l'eau ne circulera que si une pression l'y oblige.
La valeur de cette pression, exprimée en livres par pouce carré, est déterminée par une différence de niveau, exprimée en pieds (ou en mètres).
En définitive, l'eau accomplit un travail égal au produit de la masse d'eau qui se déplace par la différence de niveau (fig. 2.5a).
Fig. 2.5 Analogie du niveau et du potentiel
II en est de même pour l'électricité qui représente un déplacement d'électrons.
Le déplacement ne se produira que s'il existe une différence de niveau et le travail accompli est égal au produit de la quantité d'électricité, exprimée en coulombs, par la différence de niveau, exprimée en volts.
On désigne la différence de niveau électrique (ou pression) sous les noms de potentiel électrique, tension électrique ou voltage (fig. 2.5b).
L'unité de tension électrique, le volt*, représente la tension nécessaire pour qu'une quantité électrique de 1 coulomb accomplisse un travail de 1 joule**.
* Appellation provenant du nom du physicien italien Volta, célèbre par ses travaux sur l'électricité.
** 9.81 joules = 1 kilogrammètre. On sait que le kilogrammètre est le travail produit par 1 kilogramme-poids se déplaçant de 1 mètre.
Un corps déchargé ne possède pas de différence de potentiel.
Si l'on approche un corps chargé d'un autre corps de potentiel moins élevé ou nul, il se produira une étincelle électrique à une distance d'autant plus grande que la différence de potentiel sera plus élevée.
Lorsque cette différence est extrêmement petite, la décharge ne se produira que lorsque les corps seront en contact.
14. Caractéristiques du potentiel électrique
a) La valeur du potentiel électrique est uniforme en tous les points d'un conducteur électrisé.
b) Dans un conducteur isolé et soustrait à l'influence d'autres corps électrisés, le potentiel est proportionnel à la charge du conducteur, ce qui se traduit par l'équation:
Q = CE
dans laquelle
Q = charge du conducteur, en coulombs
E = potentiel électrique, en volts
C = capacité du conducteur
15. Capacité d'un conducteur isolé
Si dans l'équation précédente E = 1, on obtient C = Q
On peut définir la capacité d'un conducteur isolé comme étant la charge nécessaire pour porter son potentiel à 1 volt.
16. Condensateur
On appelle condensateur (fig. 2.6) un appareil destiné à emmagasiner (condenser) une certaine quantité d'électricité sur une surface relativement petite.
Fig. 2.6 Principe du condensateur
De formes diverses, les condensateurs sont essentiellement constitués par deux surfaces conductrices parallèles (armatures) séparées par de l'air ou par un isolant (diélectrique)' solide.
Cherchons la valeur de C en transposant l'équation précédente.
On obtient:
C= Q/E
qui montre que la capacité est inversement proportionnelle au potentiel électrique.
L'unité de capacité est la capacité d'un condensateur qui peut recevoir une charge de 1 coulomb sous un potentiel de 1 volt.
On lui a donné le nom de farad* (symbole F).
* Ce nom lui a été donné en l'honneur du physicien et chimiste anglais Faraday Michaël (1791-1867) qui découvrit les lois de l'induction et de l'électrolyse.
C'est une unité beaucoup trop grande pour les besoins pratiques; aussi emploie-t-on le microfarad (symbole pF) ou million-nième de farad.
Plusieurs facteurs influent sur la capacité d'un condensateur
a) Surface commune des armatures : la capacité est proportionnelle à cette surface.
b) Distance séparant les armatures : la capacité est inversement proportionnelle à cette distance.
c) Nature du diélectrique utilisé : certaines substances augmentent considérablement la capacité d'un condensateur.
Plus la tension d'un condensateur est faible, plus sa capacité augmente.
Pour le démontrer, on utilise un cylindre en papier de soie que l'on plie en accordéon. Ce cylindre, parfaitement isolé, est d'abord comprimé, puis chargé par contact avec un bâton de résine jusqu'à ce qu'il influence un électroscope placé à proximité.
On déplie alors le cylindre et l'on voit les feuilles de l'électroscope retomber progressivement, preuve que la tension électrique du condensateur diminue au fur et à mesure que sa capacité augmente.
Si, maintenant, on referme le cylindre, les feuilles de l'électroscope divergent de nouveau, montrant ainsi que la tension du condensateur augmente au fur et à mesure que diminue sa capacité.
On peut comparer la capacité d'un condensateur à celle d'un bassin.
Plus la surface de base du bassin sera grande, plus il faudra de gallons d'eau pour que celle-ci atteigne une certaine hauteur ; pour une quantité d'eau déterminée, plus la base sera grande, plus la hauteur atteinte par l'eau sera faible.
On peut donc définir la capacité d'un bassin comme le quotient de la quantité d'eau qu'il contient par la hauteur qu'elle atteint.
En ce qui concerne le rôle d'un condensateur on peut le comparer à celui d'un amortisseur à air comprimé utilisé dans un système d'aqueduc important : atténuer les variations brusques de pression, le circuit électrique remplaçant la conduite d'eau.
Jusqu'ici nous n'avons considéré qu'un condensateur dont les armatures sont séparées simplement par une lame d'air.
Si maintenant nous interposons entre les armatures une plaque de mica, par exemple, la capacité du condensateur devient plus grande. La nature du diélectrique utilisé est donc un facteur important de la capacité.
Cette propriété, plus ou moins grande, d'augmenter la capacité constitue le pouvoir inducteur spécifique ou constante diélectrique (symbole K).
La constante diélectrique représente le rapport entre la puissance diélectrique du corps considéré et celle du vide prise pour unité (1).
La constante diélectrique des gaz reste toujours très voisine de 1. Celle de l'air étant de 1.00059, on adopte, pour les calculs pratiques, celle du vide.
La formule générale permettant de calculer la capacité d'un condensateur est:
C = 0.225 KS / 106d
dans laquelle
C = capacité en microfarads
K = constante diélectrique
S = surface d'une armature, en pouces carrés
d = distance entre les armatures, en pouces
On double la capacité en doublant la surface des armatures ou en réduisant leur distance de moitié.
Des phénomènes de capacité se produisent chaque fois que deux conducteurs sont séparés par un isolant.
C'est ainsi que les conducteurs des lignes à haute tension emmagasinent une certaine quantité d'électricité et diminuent le rendement du circuit par les pertes d'énergie qui en résultent.
En pratique, on tiendra toujours compte de cet effet pour des conducteurs parallèles sur une grande longueur.
17. Diélectriques
Les diélectriques s'apparentent aux corps transparents et aux corps diathermanes. Les premiers laissent passer la lumière et les seconds la chaleur, sans en absorber eux-mêmes.
On appelle diélectrique un corps qui transmet l'électricité par influence sans qu'il en résulte une perte d'énergie.
De même qu'il n'existe pas de corps parfaitement transparent, ni parfaitement diathermane, il n'existe pas de diélectrique parfait.
Nous avons vu que le pouvoir inducteur spécifique (constante diélectrique) se détermine par comparaison avec celui du vide ou, pratiquement, avec celui de l'air.
Lorsqu'on fait passer un courant électrique entre les bornes d'un condensateur, une charge négative s'accumule sur l'armature négative et, par influence, une charge égale sort par l'autre armature (fig. 2.7).
Fig. 2.7 Fléchissement des atomes d'un diélectrique
Aucun courant ne traverse le diélectrique dont les électrons fléchissent seulement. La capacité des armatures reste extrêmement petite et le courant ne dure qu'un très court instant.
On a vu précédemment que la capacité d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance qui sépare les armatures ou, en d'autres termes, à l'épaisseur du diélectrique.
Rigidité diélectrique
Si le potentiel appliqué devient trop élevé, le diélectrique peut être percé par une étincelle qui détériore le condensateur.
La résistance qu'oppose un diélectrique à se laisser perforer par l'étincelle s'appelle rigidité diélectrique (dielectric strength) et se mesure en volts par centimètre carré.
Pour les sections circulaires, on peut employer le "mil" et mesurer la rigidité diélectrique en volts par mil.
Elle est fournie par des tables spéciales. La rigidité diélectrique de l'air n'est que de 30000 V/cm², tandis que celle du verre atteint 350000 V/cm².
18. Types de condensateurs
On peut classifier les condensateurs
a) suivant le diélectrique utilisé : condensateurs à air, condensateurs électrolytiques, condensateurs à diélectrique solide tel que le papier, le mica, le verre, les produits céramiques;
b) suivant leur forme : condensateurs plans, condensateurs cylindriques;
c) suivant que leur capacité est réglable ou non : condensateurs variables, condensateurs fixes.
Bouteille de Leyde
Leyde — Ville hollandaise qui possédait une université encore célèbre au XVIIIe siècle. Trois savants découvrirent, au cours d'expériences, les propriétés de la bouteille à laquelle on attribua le nom de la ville où résidaient ces savants.
Le premier condensateur connu est la "bouteille de Leyde".
Les expériences furent faites avec une bouteille ordinaire remplie d'eau, fermée par un bouchon que traversait une tige dont l'extrémité extérieure se terminait en crochet, tandis que l'autre plongeait dans l'eau.
Une telle bouteille accrochée à une machine électrique et chargée emmagasinait de l'électricité, comme le prouvait la secousse intense éprouvée lorsqu'on approchait ensuite une main du crochet.
Les laboratoires utilisent encore la bouteille de Leyde qui a subi, depuis, des transformations.
Sa surface extérieure est recouverte, jusqu'à une certaine distance du goulot, par une feuille d'étain et le reste de cette surface reçoit une couche de gomme-laque.
La tige qui traverse le bouchon se termine par une boule et l'extrémité qui plonge dans la bouteille reste en contact avec des fragments de métal (cuivre ou étain) qui la remplissent.
La bouteille constitue donc un véritable condensateur avec une armature extérieure, la feuille d'étain ; un diélectrique, le verre de la bouteille, et une armature intérieure, les fragments de métal et la tige.
La figure 2.8 représente une bouteille de Leyde démontable en ses trois parties.
Fig. 2.8 Bouteille de LEYDE
On peut grouper plusieurs bouteilles de Leyde ou plusieurs condensateurs en batterie; il suffit de réunir leurs armatures intérieures.
Condensateurs fixes
Les condensateurs fixes sont les types commerciaux les plus couramment utilisés.
Pour les basses tensions, ils sont constitués par des couches successives de feuilles d'étain et de papier extrêmement minces, une feuille de papier alternant avec une feuille d'étain (fig. 2.9 a et b).
Fig. 2.9a Constitution d'un condensateur
Fig. 2.9b Condensateurs fixes
Pour les tensions moyennes, les couches de papier sont huilées, ce qui augmente leur pouvoir isolant.
Pour les hautes tensions, les diélectriques les plus utilisés sont le mica. (fig. 2.9c), le verre et certains produits céramiques, à base de silicates d'aluminium, d'ammonium et de magnésium dont la constante diélectrique peut atteindre des valeurs extrêmement élevées.
Fig. 2.9c Condensateur à mica
Condensateurs variables
En radio et en électronique on est souvent obligé d'avoir recours aux condensateurs variables constitués par deux groupes de lames métalliques séparés simplement par l'air (fig. 2.9d).
Fig. 2.9d Condensateur variable
Un de ces groupes est mobile autour d'un axe perpendiculaire au plan des lames, permettant ainsi à celles-ci de s'introduire entre les lames du groupe fixe.
En modifiant les surfaces en présence par un réglage facile, on fait varier la capacité effective du condensateur.
19. Pouvoir des pointes
L'électrisation se manifeste avec une intensité variable suivant la courbure du corps. Plus la courbure est accentuée, plus le champ électrique est intense; il devient maximum sur les parties aiguës.
Les gaz contiennent des ions; les ions de même signe que la pointe sont repoussés, tandis que ceux de nom contraire sont attirés. L'air au voisinage d'une pointe est ionisé, car le choc des ions contre les atomes neutres produit d'autres ions.
L'appareil représenté par la figure 2.10 montre que le vent produit par le mouvement des ions de même nom que le condensateur, donc repoussés par celui-ci, est assez fort pour incliner une flamme et même l'éteindre.
Fig. 2.10 Pouvoir des pointes
La figure 2.11 illustre un "tourniquet électrique", composé de 4 pointes montées sur un axe tournant sur un pivot.
Fig. 2.11 Tourniquet électrique
Si l'on branche l'appareil sur une machine électrostatique le tourniquet effectue une rotation dans le sens contraire à celui des pointes : l'électricité s'écoule par les pointes et, par réaction, l'appareil se met en mouvement.
20. Expérience de Franklin
Benjamin Franklin (1706-1790). Savant et homme d'État américain.
C'est Franklin qui prouva l'électrisation des nuages. Cette électrisation s'effectue par influence électrostatique ou par le frottement des gouttelettes d'eau provoqué par les vents.
Franklin employa un cerf-volant muni d'une pointe métallique et attaché à un filin relié lui-même à un cordon de soie destiné à l'isoler et à empêcher ainsi que la charge ne se perde dans le sol.
Le filin mouillé par la pluie était conducteur de l'électricité et Franklin en tira des étincelles. Il réalisa que les nuages peuvent s'électriser.
L'état électrique de l'atmosphère est irrégulier et instable, mais au sol l'air est généralement chargé positivement. Dans la haute atmosphère, l'air est ionisé. Les particules de vapeur qui composent les nuages sont donc chargées positivement ou négativement.
Les différentes parties d'un nuage, deux nuages, ou un nuage et le sol, constituent les armatures d'un condensateur, avec l'air comme diélectrique, et possèdent des charges distinctes.
Lorsque la différence de potentiel entre deux charges contraires devient suffisamment élevée*, une décharge se produit sous la forme d'un éclair.
* Les différences de potentiel sont de Tordre de centaines de millions de volts.
21. Paratonnerres
Les paratonnerres (parafoudres) sont des appareils destinés à protéger les édifices contre les effets destructifs de la foudre.
Leur fonctionnement repose sur le pouvoir des pointes.**
** On pense actuellement qu'il est inutile qu'un parafoudre se termine par une pointe.
Il en existe deux types principaux : à tige et à cage.
a) Paratonnerre à tige
Le paratonnerre à tige, comme son nom l'indique, se compose d'une tige et d'un conducteur en cuivre se7 terminant par une chaîne conductrice (fig. 2.12a).
Fig. 2.12 Paratonnerres
Pour améliorer la mise à la terre, la chaîne est reliée à un tuyau de fer galvanisé enfoui dans le sol ou par une plaque de cuivre plongeant dans un puits.
Lorsqu'un nuage orageux passe au voisinage de l'édifice, la tige se charge, par influence, d'électricité de nom contraire au nuage ; celle-ci s'échappe et diminue ainsi la différence de potentiel existant entre la tige et la nuage.
Si néanmoins, la décharge (éclair) se produit, elle s'écoule dans le sol par la chaîne métallique.
Dans une installation bien faite, toutes les parties métalliques entrant dans la construction de l'édifice doivent être en contact avec le paratonnerre. La zone de protection de celui-ci s'étend alors dans un rayon égal au double de la hauteur de la tige.
b) Paratonnerre à cage
Nous avons déjà dit que l'électricité statique s'accumule à la surface externe des conducteurs. On utilise cette particularité dans le paratonnerre à cage. L'édifice est entouré d'un réseau de fils métalliques communiquant au sol par des prises de terre (fig. 2.12b).
Avec une toiture métallique, il suffit de relier celle-ci au sol par un certain nombre de prises à la terre, qui forment ainsi un treillis. L'ensemble constitue alors une cage à l'intérieur de laquelle l'électricité statique ne peut pas pénétrer.
22. Machines électrostatiques
L'électricité statique, engendrée par frottement, s'avère, dans certains cas, nuisible et même dangereuse.
Quand on s'approche d'une machine en mouvement, particulièrement quand la transmission s'effectue par courroies, on ressent assez souvent un choc ; le frottement des courroies sur les poulies engendre de l'électricité statique.
Dans les manufactures de textiles, il arrive que le frottement des brins de certains matériaux les fasse coller les uns aux autres, diminuant ainsi la qualité du produit.
Les camions citernes transportant des liquides inflammables portent une chaîne traînant à terre. Le but de cette chaîne est d'assurer l'écoulement au sol de l'électricité statique dont l'accumulation risquerait de provoquer une explosion.
Dans les usines traitant des substances inflammables, l'électricité statique développée par les courroies de transmission et les convoyeurs représente un sérieux danger (incendie, explosion), car le voltage peut atteindre 60000 volts.
Il est impossible d'énoncer une règle générale de sécurité, car l'électricité statique s'accumule de manières trop diverses et, de plus, une mesure réussissant parfaitement dans un cas, se révélera inefficace dans un autre, absolument identique.
Néanmoins, une recommandation importante est de faire communiquer avec la terre toutes les parties métalliques, afin de prévenir toute décharge électrique.
Par contre, l'électricité statique trouve des applications dans certaines industries et dans le domaine de la recherche pure, en physique, où l'on doit disposer de voltages élevés.
Principe
Les machines électrostatiques sont des générateurs électriques dont le principe repose sur l'expérience de Faraday.
Si l'on introduit dans un cylindre isolé (cylindre de Faraday) un conducteur électrisé et que l'on mette ce conducteur en contact avec la paroi intérieure du cylindre, la charge passe entièrement sur la surface extérieure.
Si l'on retire le conducteur, qu'on le charge de nouveau et qu'on le remette en contact avec l'intérieur du cylindre, la deuxième charge s'ajoute à la première.
Théoriquement, on pourrait augmenter indéfiniment la charge, mais on est arrêté dans cette voie par l'isolement du cylindre qui devient insuffisant lorsque la différence de potentiel devient trop grande.
On dit alors que la limite de charge est atteinte. Cette limite est variable pour une même machine, car elle dépend aussi dans une certaine mesure de l'air ambiant.
En introduisant dans le cylindre un isolant au lieu d'un conducteur, le transport de l'électricité sur la surface extérieure ne s'effectue plus que par influence.
Si l'on utilise maintenant un cylindre dont la paroi intérieure porte des pointes et que l'on introduise un corps chargé positivement, la charge passe, par influence, sur le cylindre ; l'électricité positive se porte sur la surface extérieure et l'électricité négative sur les pointes par lesquelles elle s'échappe.
Le cylindre reste donc chargé d'électricité positive.
Une machine électrostatique se compose donc essentiellement d'un producteur (d'électricité) qui charge un transporteur par l'intermédiaire duquel cette charge est transférée à un collecteur.
Il existe deux types de machines à frottement électrostatiques : à influence et à frottement.
Machine Van de Graaf
Van de Graaf — Physicien américain.
Cette machine électrostatique à influence est constituée par deux sphères creuses A et B supportées par deux colonnes isolantes H, creuses également, qui renferment les autres parties (fig. 2.13).
Fig. 2.13 Machine VAN DE GRAAF
Le courant alternatif qui alimente la machine passe par un transformateur T qui le porte à la tension convenable, variable suivant la grosseur de la machine. Il est ensuite redressé.
Par l'intermédiaire des peignes P, il passe sur les transporteurs, constitués par les rubans isolants C tournant sur les poulies D, reliées aux collecteurs E.
Les rubans se déchargent dans les sphères par l'intermédiaire des collecteurs. L'électricité s'échappe par effluves au point F (point "corona").
Les rubans tournent, rapidement et régulièrement, en sens inverse. Une sphère est donc chargée positivement et l'autre négativement ; chacune d'elles possède donc deux différences de potentiel : une tension par rapport à la terre et une tension par rapport à l'autre sphère.
La taille des sphères s'échelonne de quelques pouces à 15 pieds de diamètre et la machine peut produire un courant de plusieurs millions de volts avec une intensité ne dépassant pas quelques milliampères.
On utilise la machine Van de Graaf dans les laboratoires (recherches nucléaires) et, dans l'industrie, pour déceler les défauts dans les pièces métalliques, assécher l'air, éprouver l'isolation de lignes à haute tension, étudier les phénomènes consécutifs aux voltages élevés.
Purificateurs d'air
Les purificateurs servent à débarrasser l'air des fumées et des poussières qui le polluent. Le purificateur Cottrel, du nom de celui qui l'inventa en 1907, comprend quatre parties principales :
a) une source de haute tension (30,000 à 90,000 volts), variable suivant la nature et la densité de la poussière à éliminer;
b) des électrodes ionisantes à haut voltage associées aux électrodes collectrices;
c) un dispositif pour recevoir les poussières : un courant d'eau pour les purificateurs humides et des trémies pour les purificateurs secs ; dans ces derniers les poussières sont délogées des électrodes collectrices par des secousses;
d) une enveloppe pour protéger l'appareil.
Dans un purificateur sec on trouve un certain nombre de plaques parallèles distantes d'environ un pied (fig. 2.14).
Fig. 2.14 Purificateur sec
Les conducteurs à tension élevée qui forment l'électrode positive sont disposés entre deux plaques collectrices. L'air vicié arrive entre les collecteurs où la haute tension produit un champ électrostatique intense.
Les particules de poussière se chargent positivement, tandis que les plaques collectrices, reliées à un autre circuit, sont chargées négativement et attirent donc sur leur surface les poussières.
Celles-ci sont délogées par secousses, raclées manuellement ou automatiquement et tombent dans les trémies d'où elles sont ensuite évacuées.
De nos jours, on se préoccupe de débarrasser l'air des poussières nocives pour les humains et pour les animaux.
Dans certaines industries, comme les cimenteries, cette épuration devient impérative pour éviter que la localité ne devienne malsaine et que les bâtiments voisins ne soient endommagés. Aussi, l'épurateur Cottrel rend-il de grands services.
Triage électrostatique
Si l'on fait passer certains matériaux ou certains produits entre deux électrodes rotatives de charges contraires, il devient possible d'effectuer un triage et d'obtenir ainsi une substance parfaitement propre, débarrassée des poussières et des matières étrangères. On obtient ce résultat à l'aide du trieur automatique (fig. 2.15).
Fig. 2.15 Trieur automatique
Machine de Wimshurst
La machine de Wimshurst (fig. 2.16 et 2.17) est aussi une machine à influence.
Fig. 2.16 Machine de WIMSHURST
Fig. 2.17 Machine de WIMSHURST (fonctionnement)
Elle est constituée de deux plateaux de verre ou d'ébonite portant sur leur face extérieure des bandes d'étain et tournant en sens contraire.
Deux conducteurs rigides bc et df, fixés sur le support isolant de l'appareil, font entre eux un angle de 60° et sont munis de petits balais métalliques qui frottent sur les bandes d'étain ou d'aluminium.
Deux collecteurs A et B, placés sur l'axe horizontal, portent des peignes et restent en communication, d'une part, avec les disques et d'autre part avec les armatures internes de bouteilles de Leyde placées sur le côté et dont le but est d'augmenter la capacité des collecteurs.
Deux arcs, terminés à une extrémité par un manche isolant et à l'autre extrémité par une boule, constituent les pôles de la machine.
Comme il reste toujours une petite charge électrique sur les disques, la machine s'amorce d'elle-même.
Par exemple, le secteur a porte une charge négative; les secteurs b et c seront chargés par induction et les balais métalliques les équilibrent en laissant passer des charges de signe contraire.
Lorsque le secteur b arrive à la place de d, e et f se chargent par induction. Les bouteilles de Leyde se chargent par neutralisation des plateaux par les peignes.
On met la machine en marche avec les boules en contact, puis on écarte celles-ci afin qu'il s'établisse entre elles une différence de potentiel suffisante pour qu'une étincelle jaillisse.
La machine de Wimshurst est employée surtout en électricité médicale.
Machine de Ramsden
Jesse Ramsden — Opticien anglais (1735-1800).
La machine électrostatique de Ramsden est à frottement et n'offre qu'un intérêt rétrospectif.
Deux cylindres métalliques (collecteurs) accumulent l'électricité engendrée par le frottement d'un grand disque de verre sur deux coussins de cuir. Le disque se charge positivement et les coussins négativement.
Une chaînette ou un conducteur relie la machine au sol, permettant ainsi à l'électricité négative de s'écouler.
Après avoir fait tourner le disque de verre, si l'on approche des collecteurs les mains ou un conducteur, une étincelle jaillit, plus ou moins longue suivant la charge et le degré hygrométrique de l'air.
Les décharges constantes dans l'appareil même et l'ionisation de l'air ambiant préviennent une trop grande accumulation d'électricité. Le débit de la machine se mesure par le nombre d'étincelles.
QUESTIONNAIRE Les réponses ne sont pas données
1. Définir les unités électriques suivantes : coulomb - volt - farad.
2. Définir l'électricité statique et indiquer ses caractéristiques.
3. Comment produit-on de l'électricité statique?
4. Quelles sont les lois qui régissent l'électricité statique?
5. Comment peut-on électriser un corps?
6. Expliquer ce qu'est le potentiel électrique.
7. Qu'est-ce qu'un condensateur et quelle est son utilité?
8. Expliquer, par une comparaison, ce qu'on entend par la capacité d'un condensateur.
9. Définir un diélectrique.
10. Quelle est la fonction du diélectrique dans un condensateur?
11. Donner la formule de la capacité d'un condensateur.
12. Qu'entend-on par "rigidité diélectrique"?
13. Qu'appelle-t-on "pouvoir des pointes"? Expliquer en détail.
14. Décrire brièvement l'expérience de Franklin.
15. Expliquer par quel phénomène se produit la foudre.
16. Expliquer de quelle manière les paratonnerres protègent les édifices.
17. Décrire brièvement deux types de paratonnerre.
18. Expliquer sur quel principe repose le fonctionnement des machines statiques.
19. Décrire succinctement une machine statique à influence et une machine électrostatique à frottement.
20. Décrire le purificateur Cottrel.
