Eld5-6 - Galvanomètre à cadre mobile de Deprez-d'Arsonval

Fonction

Détection d’une faible intensité de courant (ou d’une faible force électromotrice). La sensibilité de l’appareil est la qualité recherchée.

Description et fonctionnement

Le cadre mobile est constitué par la superposition de n enroulements de formes rectangulaires (largeur l, hauteur h) d’un fil conducteur (cuivre) de section s, de résistivité ρ. Un fil fin supérieur et un fil fin inférieur, à la fois élastiques et conducteurs, ont pour rôles :

de supporter le poids du cadre et de lui fournir un axe de rotation vertical ;

de fournir un couple de torsion : si, partant d’une position de repos à courant nul, le cadre tourne d’un angle α, les fils de torsion exercent sur le câble un couple (dit « de rappel ») – k α (k est la constante de torsion) ;

d’assurer une liaison électrique en reliant les deux extrémités du fil constituant le cadre à une source extérieure par l’intermédiaire de deux bornes.

Un petit miroir concave fixé sur le cadre permet l’observation (par la méthode de Poggendorff) de la rotation α du cadre.

Le cadre est placé dans l’entrefer d’un gros aimant en U. Un cylindre de fer doux (creux) dont l’axe coïncide avec l’axe de rotation du cadre canalise les lignes de champ magnétique de sorte que les seuls conducteurs verticaux du cadre soient soumis à un champ radial, d’intensité constante B, pour une assez large variation de α (de part et d’autre de α = 0). Cela résulte de la propriété des lignes de champ magnétique d’être, dans l’air, normales à la surface du fer doux dont elles sortent et dans lequel elles rentrent.

Posons Φ = n l h B ; c’est une constante d’appareil qui a la dimension d’un flux. On démontre facilement que, pour une intensité i de courant qui parcourt le cadre, le couple électromagnétique appliqué au cadre a pour expression :

C = Φ i

À l’équilibre, le cadre a tourné d’un angle :

α = Φ i / k

D’où la sensibilité :


La diminution de k (pour accroître la sensibilité) est limitée par le poids du cadre. Celui-ci est fixé par les dimensions que l’on donne au cadre, lesquelles sont limitées par les dimensions de l’entrefer (un accroissement de l’entrefer diminuerait B). La seule liberté qui reste est le choix du nombre n avec le produit n s imposé. On utilisera donc soit du fil fin pour n grand, soit du fil de plus grosse section pour n faible. Le choix de n revient au choix de la résistance Rg du cadre (pratiquement la résistance du galvanomètre). D’où cette autre constante d’appareil proportionnelle à n :


Le galvanomètre est souvent utilisé pour détecter une force électromotrice e dans un dipôle de résistance extérieure Re ; la qualité à prendre en considération est


On montre que celle-ci est maximale pour Rg = Re d’où le choix de n (donc de s). Par exemple, si le circuit extérieur est de faible résistance (cas du thermocouple), il doit en être de même pour Rg. Le cadre d’un galvanomètre pour thermocouple ne comportera que peu de boucles (à la limite n = 1).


qui apparait dans le cadre en mouvement.

Histoire

Marcel Deprez (1843-1918), physicien et mathématicien français, invente en 1882 avec d’Arsonval le galvanomètre décrit ci-dessus. Il a fait des études sur le champ magnétique des machines dynamoélectriques et sur le rôle du noyau de fer doux. Il a présenté à Munich, avec le docteur Cornélius Hertz, une expérience de transport d’énergie électrique à distance.

Arsène D’Arsonval (1851-1940) fut préparateur de Claude Bernard. Docteur en médecine, directeur de laboratoire de physique biologique au Collège de France en 1894, il entre à l’Académie de médecine en 1888 et à l’Académie des sciences en 1894. Ses travaux portent sur le galvanomètre apériodique, la téléphonie, le bec à gaz multiple. Il effectue aussi des études sur les muscles, l’élasticité pulmonaire, la chaleur animale, l’équivalent mécanique de la calorie (J), l’action biologique des courants de haute fréquence (Darsinvalisation)…