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Machine de Wimshurst(Générateur électrostatique à influence)PRINCIPE ET CONSTRUCTION( TRÈS SIMPLE ET TRES ECONOMIQUE)François BOSSERT, Lycée Louis Couffignal, Strasbourg. |
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Machine de Wimshurst(Générateur électrostatique à influence)PRINCIPE ET CONSTRUCTION( TRÈS SIMPLE ET TRES ECONOMIQUE)François BOSSERT, Lycée Louis Couffignal, Strasbourg. |
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Les expériences d'électrostatique sont certainement parmi les plus spectaculaires et les plus attrayantes des cours de Physique. Elles éveillent toujours l'intérêt, souvent l'enthousiasme de l'auditoire. Certaines expériences sont parfaitement compréhensibles par de jeunes élèves : attractions - répulsions, isolants - conducteurs. Pour la plupart des belles expériences, les bâtons électrisés par frottement sont insuffisants, et le générateur électrostatique s'impose.
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 surtout électrostatiques, et elles sont considérables.
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). Cela la destine tout particulièrement aux expériences d'électrostatique des Lycées et Facultés.
Mais son prix, autour de 500 euros, rebutera plus d'un Collège. C'est pourtant une machine très simple à construire soi-même. J'en ai construite une, il y a des années (alors que j'étais encore étudiant) avec des matériaux de récupération. Elle me fournit 4 à 5 cm d'étincelles entre boules (50 à 70 kV). Elle ne revient pas à plus de 50 euros.
Sa construction ne nécessite aucun ajustement précis. Une chignole à main, une scie, un fer à souder, lime, pince et tourne-vis sont amplement suffisants. Il n'est pas besoin d'être bon bricoleur pour mener à bien cette réalisation. Nous nous efforcerons de guider pas à pas le lecteur dans son ouvrage.
Enfin, rappelons le principe de la machine de Wimshurst. Une bonne compréhension de son fonctionnement est certainement utile à celui qui en entreprend la réalisation.
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Le fonctionnement est symétrique, avant-arrière, au signe près. Considérons un demi-tour de plateau.
Examinons, en supposant les plateaux munis de secteurs métalliques, les phénomènes dans chaque zone (fig. 1). |
| La charge des secteurs arrière est négative. Il apparaît par influence des charges + et - sur les secteurs avant (fig.2). |  |
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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). Comme pour l'électrophore, il ne reste que des charges + en regard des secteurs arrières (fig. 3). C'est ici que se produit la charge par influence du secteur avant. |
| Il y a superposition de deux états : la charge + acquise par le secteur dans la zone no 2, et l'influence comme dans la zone no 1. La charge des secteurs avant est maintenant + (fig. 4). |  |
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L'effet symétrique de celui de la zone no 2 se produit pour les secteurs arrière; ils acquièrent là une charge (qui ira ensuite influencer les secteurs avant dans la zone no 2 (fig. 5). |
| Zone 5 : les secteurs avant, toujours chargés + progressent vers les peignes de la borne + .
Zone 6 : décharge du secteur avant (et du secteur arrière venant du bas) entre les peignes (capteur) : nous sommes à l'intérieur d'une cage de Faraday (fia. 6). |
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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 (fig. 7). Les plateaux sont rèprésentés par des cercles concentriques. La distribution des couches tend à se maintenir. |
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 no 2 est nécessaire.
La figure ci-contre nous montre que le champ électrique se ressere 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 no 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).
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. En utilisant l'analogie entre E, champ électrostatique et H, excitation magnétostatique (ou V et I), on peut comparer un générateur électrostatique à un générateur électromagnétique. Ce dernier est caractérisé par sa Lé.m. à vide, son impédance interne, le courant fourni, l'électrostatique le sera par son courant de court-circuit, sa conductance interne (fuites) et la d.d.p. fournie (on pourra aussi comparer les réactions d'induit).
C'est donc un générateur de courant ! (fia. 8).
Rien de surprenant : il y a transport de charges électriques.
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.
La machine est symétrique 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.
On peut reconnaître le pôle positif à l'extrêmité plus brillante de l'étincelle grêle que donne la machine privée de ses condensateurs. [Bois. 15].
Si on utilise un tube à gaz au néon, du type pour tester la présence de la tension secteur, c'est l'électrode négative qui s'illumine en rouge.
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PRUDENCE!NE PAS CHARGER DE GRANDE BATTERIE DE CONDENSATEURS DANGER DE MORT. |
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Ne pas prendre de capacité supérieure à quelques dizaines de picofarad ! Une batterie classique, de bouteilles de Leyde, a une capacité de l'ordre du nF, ou plus, et c'est beaucoup trop ! Un tube à éssai, comme décrit plus loin, a une capacité de 33 pF, et convient parfaitement.
Evitez le contact avec les parties sous tension.
Ne pas travailler en atmosphère explosive ni près de matières inflamables.
La construction et l'utilisation de la machine de Wimshurst se fait au risques et périls de l'utilisateur.
Avant de décrire cette expérience très spectaculaire et facile à réaliser, quelques mots sur la présentation de-la machine de Wimshurst aux élèves : on leur fera constater qu'elle produit les mêmes effets que les bâtons électrisés, sur un électroscope par exemple.
Donc, avec un sèche-cheveux, sécher soigneusement machine et accessoires avant les expériences !
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PRUDENCE!NE PAS CHARGER DE GRANDE BATTERIE DE CONDENSATEURS DANGER DE MORT. |
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Ne pas prendre de capacité supérieure à quelques dizaines de picofarad ! Une batterie classique, de bouteilles de Leyde, a une capacité de l'ordre du nF, ou plus, et c'est beaucoup trop ! Un tube à éssai, comme décrit plus loin, a une capacité de 33 pF, et convient parfaitement.
Evitez le contact avec les parties sous tension.
Ne pas travailler en atmosphère explosive ni près de matières inflamables.
La construction et l'utilisation de la machine de Wimshurst se fait au risques et périls de l'utilisateur.