Machine électrostatique - Définition

Machine de Wimshurst

Machine de Wimshurst

Inventée par James Wimshurst à la fin du XIX^e siècle, elle ne fut pas la première à utiliser l'induction électrostatique. Mais sa puissance la rendit rapidement très populaire. Cette machine était constituée de deux disques en verre munis de lames d'étain, contre lesquels viennent frotter des balais garnis de fils métalliques. Les charges produites étaient récupérées par des peignes métalliques, et stockées dans des bouteilles de Leyde.

Les machines à influence

Un modèle considérablement amélioré de générateur de charge, la machine à influence (ou à induction statique), fut mis au point avant 1800. Canton en décrivit le principe en 1750, mais les machines ne furent réalisées que plus tard. La machine à induction était doublement importante : d'une part, elle reposait sur la claire compréhension de l'électricité positive ou négative, d'autre part, elle pouvait accumuler des charges théoriquement illimitées (avec l'isolement indispensable). Cette capacité illimitée venait compléter celle de la bouteille de Leyde. Les premières machines à influence employaient des disques rotatifs de verre, souvent sous forme multiple.

L'électrisation par influence ou induction électrostatique

Lorsqu'on approche d'un corps A électriquement neutre un corps B électrisé (conducteur ou isolant), il se produit sur le corps A une électrisation telle que des charges de signes opposés s'accumulent en regard du corps B. Comme le corps A ne reçoit ni ne cède aucune charge, des charges de signes opposés se répartissent à la surface du corps A avec une prédilection pour les surfaces courbes ou pointues des extrémités.

L'électrophore de Volta

L'électrophore de Volta (Alessandro Volta, vers 1775) : Il se compose d'un gâteau de résine coulé dans un moule et d'un disque de laiton muni d'un manche isolant. C'est une source d'électricité créée par influence. On frappe le gâteau de résine avec une peau de chat, puis on dispose le disque conducteur au-dessus, sans qu'il y ait contact : l'électricité négative de la résine développe par influence de l'électricité positive sur la face inférieure du disque et de l'électricité négative sur la face supérieure. On touche alors le disque avec le doigt, l'électricité négative s'écoule vers le sol par l'intermédiaire du corps humain. On cesse alors le contact avec le doigt : le disque qu'on éloigne, en le tenant par le manche isolant, est alors chargé d'électricité positive. Le disque ainsi chargé permet de faire jaillir une étincelle entre lui et tout corps conducteur.

Les machines à influence peuvent être considérées comme des électrophores momentanément perpétuels par addition de charges. L'énergie mécanique est transformée en énergie électrique par l'apport additionnel de charges à une petite charge initiale.

1788, William Nicholson a proposé son doubleur tournant, qui peut être considéré comme première machine à influence tournante. 1795, T. Cavallo, John Lu, Charles Bernard Desormes, et Jean Nicolas Pierre Hachette, ont développé diverses formes de doubleurs tournants. 1798, Gottlieb Christoph Bohnenberger décrit la machine de Bohnenberger, avec plusieurs autres doubleurs de Bennet ; 1831, Giuseppe Belli en a développé un doubleur symétrique simple. 1867, Lord Kelvin et le replenisher. 1860, C.F. Varley a fait breveter un type plus moderne de machine à influence. Entre 1864 et 1880, W. T. B. Holtz a construit et a décrit un grand nombre de machines à influence considérées comme les plus avancées de l'époque. La machine de Holtz [3] est composée d'un disque de verre monté sur un axe horizontal fait pour tourner à une vitesse considérable par démultiplication. Un autre disque, immobile, porte des échancrures dans lesquelles passent de petites pattes conductrices qui permettent aux inducteurs de se décharger. En 1865, J. I. Toepler a développé une machine à influence qui est composée de deux disques fixés sur le même axe et tournant dans la même direction. Il s'agit de condensateurs variables chargés et déchargés par contact avec des balais. La petite machine excite la grande et inversement, d'où auto-amorçage dû aux tensions de contact. En 1868, la machine de Schwedoff a eu une structure curieuse pour augmenter le courant de sortie.

Toujours en 1868, plusieurs machines combinent frottement et influence : la machine de Kundt et la machine de Carré [4]. En 1866, la machine de Piche (ou la machine de Bertsch). En 1869, H. Jules Smith a reçu un brevet américain pour un dispositif électrostatique portatif et hermétique qui a été conçu pour mettre à feu la poudre. Toujours en 1869, des machines sans secteur en Allemagne ont été étudiées par Poggendorff.

L'action et l'efficacité des machines à influence ont été étudiées plus loin par F. Rossetti, A. Righi, et F. W. G. Kohlrausch. E. E. N. Mascart, A. Roiti, et E. Bouchotte ont également examiné l'efficacité et la puissance des courants produits des machines à influence. En 1871, des machines sans secteur ont été étudiées par Musaeus (précurseur de l'invention de la machine de Wimshurst). En 1872, l'électromètre de Righi a été développé et était l'un des premiers ancêtres du générateur de Van de Graaff. En 1873, Leyser a développé la machine de Leyser, une variation de la machine de Holtz. En 1880, Robert Voss (un fabricant d'instruments de Berlin) a conçu une forme de machine dans laquelle il a prétendu que les principes de Toepler et de Holtz étaient combinés. La même structure devient également connue sous le nom de machine de Toepler-Holtz. En 1878, l'inventeur anglais James Wimshurst améliore la machine de Holtz et celle de Musaeus, dans une version puissante avec les disques multiples. La machine classique de Wimshurst, devient le modèle le plus populaire des machines à influence. En 1885, une des plus grandes machines de Wimshurst a été construite en Angleterre (elle est maintenant au musée de Chicago de la Science et de l'Industrie). En 1885, l'Allemand Walter Hempel constate que le fonctionnement des machines de Toepler est amélioré lorsque l'air est pressurisé. Le courant augmente proportionnellement à la pression (essais jusqu'à 3 bars). Malheureusement il ne fait pas d'expérience sur les effets de la pression sur la tension. En 1887, Weinhold a modifié la machine de Leyser avec un système d'inducteurs verticaux. M. L. Lebiez a décrit la machine de Lebiez, comme étant essentiellement une machine simplifiée de Voss (L'Électricien, avril 1895, pp. 225-227). En 1894, Bonetti a conçu une machine avec la structure de la machine de Wimshurst, mais sans les secteurs en métal sur les disques. Cette machine est sensiblement plus puissante que la version avec secteurs, mais elle n'est pas auto-amorçante. En 1898, la machine de Pidgeon a été développée avec une installation unique par W. R. Pidgeon.

Des machines à disques multiples, des machines électrostatiques « triplex » (générateurs avec trois disques) ont été également développées intensivement au tournant du siècle. En 1900, F. Tudsbury a découvert (indépendamment de Walter Hempel) qu'en enfermant un générateur dans une chambre métallique contenant de l'air comprimé, ou mieux du gaz carbonique, on améliore les performances (isolation et tension).

En 1903, Alfred Wehrsen a fait breveter un disque rotatif d'ébonite possédant les secteurs inclus avec des contacts sur la face du disque. En 1907, Heinrich Wommelsdorf (1877-1945) a rapporté une variation de la machine de Holtz. Il a également développé plusieurs générateurs électrostatiques à rendement élevé, dont les plus connus étaient ses machines à condensateur (1920). C'étaient des machines à disques multiples, utilisant des secteurs métalliques enchâssés accessibles par la tranche du disque.

Au début du XX^e siècle, les générateurs électrostatiques à influence atteignent des tensions entre 80 000 et 100 000 volts (80 à 100 kilovolts).