Machine de Wimshurst
Inventée en 1880 par le britannique James Wimshurst, c'est l'une des premières machines électrostatiques fiable et efficace. Elle a été utilisée en tant que démonstrateur pédagogique (et l'est encore), mais aussi comme source de haute tension pour des expériences de physique.
Sa silhouette reste, je crois, assez remarquable :
Constitution
Deux disques en plexiglass, parallèles, séparés de 2 à 3 mm sont mis en rotation contraire par une manivelle.
Des languettes métalliques (secteurs) sont collées sur les faces externes des disques à intervales réguliers (24 secteurs par disque).
Chaque face de la machine est équipée d'une "barre de neutralisation", munie de balais et reliées à la masse. Chaque barre met à la terre simultanément deux languettes diamétralement opposées (sur un même disque). Les barres de neutralisation avant et arrière sont montées "en X", symétriquement.
Des peignes métalliques en forme de U encadrent les deux disques au niveaux des bords gauche et droit. Les aiguilles des peignes survolent les disques, sans les toucher. Ces peignes servent à collecter les charges portées par les languettes.
Chaque peigne est connecté à l'armature centrale d'un condensateur rudimentaire (une bouteille de Leyde plus exactement) et constitue un des deux pôles de la machine.
Chaque pôle est prolongé d'une tige, elle même terminée par une boule métallique. Les deux boules, dont on peut régler l'écartement, forment l'éclateur.
Les armatures externes des deux condensateurs sont reliées entre elles et à la masse.
Lorsqu'on actionne la manivelle, les deux condensateurs se chargent à des tensions opposées très élevées. Lorsque la tension entre les deux boules dépasse la tension de claquage de l'air, une étincelle est éclate.
Ce n'est pas trivial de réaliser une mesure précise de cette tension. D'une part parce qu'elle est bien trop élevée pour les multimètres, d'autre part, la quantité de charges impliquées étant extrêmement faible, la plus délicate des mesures en "consommerait" quand même trop. Des évaluations qualitatives ou comparatives peuvent être faites avec un électromètre improvisé.
Néanmoins, la tension de claquage de l'air (voir aussi la rigidité diélectrique) dépend de l'humidité et les valeurs usuellement rencontrées se situent entre 10000 à 36000 V
Mon "record" d'écartement des boules est de 7 cm, cela donnerait une tension entre 70KV et 250KV...
Principe de fonctionnement
Autant écarter d'emblée une intuition pourtant bien naturelle mais fausse ici : ce n'est pas une machine qui utilise le frottement pour arracher des charges (elle ne repose pas sur la tribo-électricité).
Il s'agit d'une machine électrostatique "à influence". Une explication assez claire est disponible sur cette page ou dans les pages de ce superbe site (qui fait référence je crois).
L'idée générale de la charge par influence est la suivante :
- On approche un corps chargé électriquement d'un autre corps, conducteur, neutre et isolé.
- Par neutre, on entend que les charges + et - au sein du corps sont en quantités égales.
- Tant qu'il reste isolé, aucune charge ne peut y entrer ou en sortir.
- C'est un objet conducteur, ce qui signifie qu'il contient des électrons (charges élémentaires négatives) libres de se déplacer dans son volume.
- Les charges positives étant captives du noyau des atomes, elles ne sont pas mobiles (dans un solide en tout cas).
- Le nombre de charges contenues dans un objet de l'ordre du décimètre étant très grand, on peut cependant faire comme si des charges positives libres existaient quand même.
- Le mouvement de ces "charges positives libres imaginaires" est entendu comme le déplacement de "lacunes", "d'absences" ou "trous" locaux d'électrons.
- Les charges mobiles du second corps, sont attirées ou repoussées selon leur signe par la proximité du premier corps et sous l'influence de son champ électrique.
- La répartition des charges dans le second objet n'est plus uniforme, une face est plutôt positive (bcp d'électrons manquent), la face opposée est plutôt négative (les électrons s'y entassent).
- Le second objet est toutefois encore neutre globalement (même nombre de charges + et -)
- On connecte brièvement le second corps à la terre.
- Les charges qui sont de même signe que le premier corps et qui sont repoussées par son champ électrique, ont maintenant un chemin pour quitter l'objet et fuient vers la terre.
- Dans la réalité, il s'agit bien d'électrons qui fuient ou affluent par cette connexion à la terre (les vraies charges + ne bougeant pas).
- On déconnecte la terre et enfin on peut éloigner le premier corps.
- Les charges + et - n'étant plus en quantités égales, le second objet n'est plus globalement neutre mais chargé.
Ce qui est étonnant, c'est que l'objet est soit isolé soit connecté à un potentiel de 0V (la terre). Il n'est jamais en contact avec le premier objet et n'échange aucune charge avec celui-ci.
Dans la machine de Wimshurst, ce mécanisme de la charge par influence est mis à profit à chaque passage d'un secteur sous une barre de neutralisation.
Les secteurs d'une face influencent les secteurs qui leur font face sur l'autre disque, si un balais se présente à ce moment, il va créer momentanément une fuite vers la terre.
Des secteurs initialement neutres peuvent ainsi acquérir une charge. Le cycle amplifie cet effet jusqu'à obtenir de grandes accumulations de charges (limitées cependant par la taille de ma machine et les nombreuses fuites qui apparaissent à haute tension).
Dans cette simulation pseudo-réaliste, les secteurs sont initialement chargés aléatoirement. Comme dans la vraie vie, la machine a parfois du mal à s'amorcer et peut présenter des inversions de charges occasionnellement.
Difficulté de fabrication et d'emploi
Les très hautes tensions statiques ont un comportement très différent du "courant électrique" ordinaire. La notion de conducteur et d'isolant ne se présente plus exactement de la même manière car passée une certaine tension, même l'air est conducteur. C'est ainsi qu'on peut se faire électrocuter à distance, sans contact avec un conducteur à haute tension.
On doit considérer que tout le bâti en bois, pourtant relativement isolant aux tensions usuelles, est en fait conducteur et représente même la "masse" du montage.
Par ailleurs, accumuler une grande quantité de charges du même signe dans un corps demande que toutes ses parties soient parfaitement lisses, sans aspérités, et avec de grands rayons de courbure dans la mesure du possible. La "pression" des électrons dans le conducteur (en tant que charges de même signe, ils se repoussent les uns les autres au points de s'accumuler à la surface du corps) est telle qu'ils ont tendance à "fuir" et s'échapper à la faveur de la moindre pointe (effet de pointe ou "décharge corona").
Les condensateurs, les éclateurs et les peignes doivent être strictement isolés, en plus d'être lisses et très propres, sans quoi la tension ne montera pas suffisamment à cause des fuites.
Enfin, la machine risque tout simplement de ne pas fonctionner du tout par temps humide (la passer au sèche-cheveux peut aider). D'autre part, parfois, la machine demande à être amorcée en approchant un corps chargé lors de son démarrage.
Le plexiglas propre semble donner entière satisfaction, le PVC aussi quoique un peu moins isolant. En revanche le verre, pourtant très isolant, a tendance à conserver une certaine humidité en surface et demande à être régulièrement nettoyé.