Est2-4 - Machine de Wimshurst
Fonction
Générateur électrique à haute tension (pouvant atteindre 105 volts) transformant une puissance mécanique C ω, où C est le couple appliqué à une manivelle et ω la vitesse angulaire de rotation, en puissance électrique V I, où V est la tension et I l'intensité de courant débité, de l'ordre de 10-4 ampère, avec un rendement V I / C ω très faible devant 1.
Quoique réversible, cette machine n'est pas utilisée comme moteur.
Description
Deux plateaux de verre (verni) identiques A et B (diamètre 55 cm) sur lesquels sont collées des bandes de « papier d'étain », tournant en sens inverse autour d'un même axe, mus par un système de manivelle, et de poulies et courroies. Deux tiges conductrices aa' et bb' sont disposées diamétralement à l'extérieur des plateaux.
La tige aa' est munie de balais qui frottent en a et a' sur les bords opposés du plateau A pour y déposer les charges (opposées) qui naissent par influence par le conducteur aa'. De même, les balais b et b' frottent sur le plateau et y déposent des charges.
Les charges portées par les plateaux A et B peuvent être collectées par des pointes voisines de leurs surfaces car l'air devient conducteur au voisinage des pointes.
Les charges négatives portées par A et par B sont collectées par l'ensemble P de deux peignes et vont charger l'armature interne M d'un condensateur C qui est aussi l'une des bornes de la machine.
Les charges positives portées par les plateaux A et B sont de même collectées par l'ensemble P' de deux peignes et vont charger l'armature interne M' d'un condensateur C'. Cette armature est aussi l'autre borne de la machine. Les conducteurs M et M' sont prolongés par les deux branches d'un éclateur dont les boules S et S' peuvent être plus ou moins rapprochées.
Bien que les plateaux A et B soient de même diamètre, le plateau B caché par A, a été représenté sur la figure avec un diamètre plus grand que celui de A (pour la commodité du dessin). Le conducteur bb' situé derrière le plateau B a été représenté en pointillés.
Les charges négatives portées par A et qui s'approchent du conducteur bb' provoquent l'apparition, par influence, de charges de signe opposé (positives) dans la région b la plus proche et de charges négatives à l'extrémité opposée de b'. Le balai b cède ses charges positives au plateau B qui les entraîne dans sa rotation de sens trigonométrique jusqu'à ce qu'elles soient reprises par un peigne P' et contribuent à charger M'. De même le balai b' dépose ses charges négatives sur B qui les entraîne jusqu'au peigne P où elles chargent l'armature M.
Réciproquement les charges positives portées par B s'approchent du conducteur aa', développent par influence des charges négatives en a , positives en b. Le balai a dépose des charges négatives sur A (ce sont celles qui sont citées au début de cette explication); elles influencent bb' et captées par un peigne P chargent l'armature M. Le balai a' dépose ses charges positives sur A qui les entraine ; elles influencent bb' et, captées par un peigne P', chargent M'.
Parfois le frottement des balais (a, a', b, b') suffit à créer les premières charges ; ou bien, si l'air n'est pas trop humide, l'amorçage se fait en mettant en contact les boules de l'éclateur.
Style ou nécessité ?
On remarquera que les parties métalliques présentent une profusion de boules. Il ne s'agit pas d'une forme particulière de stylistique. Aux très hautes tensions, l'existence sur un conducteur d'une trop forte courbure en un point risque de créer une ionisation de l'air au voisinage de ce point (effet de pointe) et de limiter la tension par écoulement aérien des charges vers le sol. On remplacera la pyramide hexagonale d'une tête de boulon, par une sphère et la jonction de deux tiges orthogonales qui présenterait une arête vive sera entourée d'une sphère.
En revanche, les feuilles d'étain collées sur le plateau ne seraient pas nécessaires quoique, isolées, elles peuvent rester chargées ce qui faciliterait l'amorçage.
La plus grande et la plus belle de nos deux machines de Wimshurst est double (quatre plateaux) ce qui est assez rare.
Histoire
Le philosophe Thalès (-600) avait observé que l’ambre jaune frotté attirait de menus objets. En 1600 parut le de magnete de William Gilbert (1544-1603) où il décrit des expériences réalisées avec de l’ambre frotté. Les premières machines électriques produisent des charges par frottement. En 1671, le bourgmestre de Magdebourg, Otto de Guéricke (l’expérimentateur des « sphères de Magdebourg », Flu2-4), produit de l’électricité en frottant d’une main une sphère de soufre qu’il fait tourner de l’autre. En 1755, Planta remplace la sphère de soufre par un disque de verre. Jesse Ramsden (1735-1800), inventeur du théodolite (Mes1-6) et de la machine à diviser (Mes2-2) fait tourner à l’aide d’une manivelle un plateau de verre sur lequel frottent des coussins de cuir bourrés de crin. Les machines de Ramsden eurent une grande vogue dans les salons de la noblesse où l’on se livrait à de curieuses expériences : des galants et galantes « électrisants » montés sur des tabourets isolants échangeaient des « baisers électriques » ! La machine de Ramsden est présente dans de nombreux laboratoires de lycée ; elle a disparu du lycée Louis le Grand.
machine de Ramsden
La machine de (Edward) Nairne (1726-1806) permet de recueillir les deux variétés d’électricité (positive ou négative). Les machines dites « à influence » commencent avec l’électrophore de Volta (1745-1827), la machine de (Martin) Van Marum (1750-1837), puis se développent les machines à influence de (Wilhelm) Holtz (1836-1913), de (James) Wimshurst (1832-1903) et plus près de nous de (Robert) Van de Graaf (1901-1967).
machine d'Armstrong
Il existe même une machine électrique à vapeur : la machine hydroélectrique d’Armstrong basée sur une constatation faite par un chauffeur en 1840 !
