MACHINE WIMSHURST: HISTOIRE, FONCTIONNEMENT ET APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

La machine Wimshurst est un générateur électrostatique haute tension et faible ampérage, capable de produire de l'électricité statique par séparation des charges, grâce à la rotation d'une manivelle. En revanche, les générateurs actuellement utilisés tels que les batteries, les alternateurs et les dynamos sont plutôt des sources de force électromotrice, provoquant des mouvements de charges en circuit fermé.

La machine Wimshurst a été développée par l'ingénieur et inventeur britannique James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 et 1883, améliorant les versions de générateurs électrostatiques proposées par d'autres inventeurs.

Machine de Wimshurst. Source: Andy Dingley (scanner)

Il se distingue des précédentes machines électrostatiques par son fonctionnement fiable et reproductible et sa construction simple, capable de générer une différence de potentiel stupéfiante comprise entre 90 000 et 100 000 volts.

Pièces de machines Wimshurst

La base de la machine sont les deux disques de matériau isolant caractéristiques, avec de fines feuilles de métal fixées et disposées sous la forme de secteurs radiaux.

Chaque secteur métallique a un autre diamétralement opposé et symétrique. Les disques mesurent généralement entre 30 et 40 cm de diamètre, mais ils peuvent aussi être beaucoup plus grands.

Les deux disques sont montés dans un plan vertical et sont séparés par une distance comprise entre 1 et 5 mm. Il est important que les disques ne se touchent jamais pendant la rotation. Les disques sont tournés dans des directions opposées au moyen d'un mécanisme de poulie.

La machine de Wimshurst comporte deux barres métalliques parallèles au plan de rotation de chaque disque: l'une vers l'extérieur du premier disque et l'autre vers l'extérieur du deuxième disque. Ces barres se coupent à un angle les unes par rapport aux autres.

Les extrémités de chaque barre ont des brosses métalliques qui entrent en contact avec des secteurs métalliques opposés sur chaque disque. Ils sont connus sous le nom de barres neutralisantes, pour une bonne raison qui sera discutée sous peu.

Les brosses maintiennent en contact électrique (métallique) le secteur du disque qui touche une extrémité de la barre, avec le secteur diamétralement opposé. La même chose se produit sur l'autre album.

L'effet triboélectrique

Les brosses et secteurs du disque sont en différents métaux, presque toujours en cuivre ou en bronze, tandis que les lames des disques sont en aluminium.

Le contact fugace entre eux pendant la rotation des disques et la séparation ultérieure, crée la possibilité d'échanger des charges par adhérence. C'est l'effet triboélectrique, qui peut également se produire entre un morceau d'ambre et un drap de laine, par exemple.

Une paire de collecteurs métalliques en forme de U (peignes) sont ajoutés à la machine avec des terminaisons à pointes ou à ardillons métalliques, situées dans des positions opposées.

Les secteurs des deux disques traversent la partie interne du collecteur U sans le toucher. Les collecteurs sont montés sur un socle isolant et sont à leur tour reliés à deux autres barres métalliques se terminant par des sphères, proches mais ne se touchant pas non plus.

Lorsque l'énergie mécanique est fournie à la machine au moyen de la manivelle, le frottement des brosses produit l'effet triboélectrique qui sépare les charges, après quoi les électrons déjà séparés sont capturés par les collecteurs et stockés dans deux appareils appelés bouteilles de Leyden.

La bouteille ou pichet Leyden est un condenseur avec des cadres métalliques cylindriques. Chaque bouteille est reliée à l'autre par la plaque centrale, formant deux condensateurs en série.

Tourner la manivelle produit une telle différence de potentiel électrique entre les sphères que l'air entre elles s'ionise et une étincelle saute. L'appareil complet peut être vu dans l'image ci-dessus.

Dans la machine de Wimshurst, l'électricité provient de la matière, qui est composée d'atomes. Et ceux-ci à leur tour sont constitués de charges électriques: des électrons négatifs et des protons positifs.

Dans l'atome, les protons chargés positivement sont emballés dans le centre ou le noyau et les électrons chargés négativement autour de son noyau.

Lorsqu'un matériau perd certains de ses électrons les plus externes, il devient chargé positivement. Inversement, si vous capturez des électrons, vous obtenez une charge nette négative. Lorsque le nombre de protons et d'électrons est égal, le matériau est neutre.

Dans les matériaux isolants, les électrons restent autour de leurs noyaux sans pouvoir s'égarer trop loin. Mais dans les métaux, les noyaux sont si proches les uns des autres que les électrons les plus externes (ou valence) peuvent sauter d'un atome à un autre, se déplaçant à travers le matériau conducteur.

Si un objet chargé négativement s'approche de l'une des faces d'une plaque métallique, les électrons du métal s'éloignent par répulsion électrostatique, dans ce cas vers la face opposée. On dit alors que la plaque s'est polarisée.

Or, si cette plaque polarisée est reliée par un conducteur (barres de neutralisation) sur sa face négative à une autre plaque, les électrons se déplaceraient vers cette seconde plaque. Si la connexion est soudainement coupée, la deuxième plaque est chargée négativement.

Cycle de chargement et de stockage

Pour que la machine Wimshurst démarre, l'un des secteurs métalliques du disque doit avoir un déséquilibre de charge. Cela se produit naturellement et fréquemment, surtout lorsqu'il y a peu d'humidité.

Lorsque les disques commencent à tourner, il y aura un moment où un secteur neutre du disque opposé s'oppose au secteur chargé. Ceci induit sur celui-ci une charge de même amplitude et de sens inverse grâce aux brosses, puisque les électrons s'éloignent ou se rapprochent, selon le signe du secteur en regard.

Schéma de la machine Wimshurst. Source: RobertKuhlmann

Les collecteurs en forme de U sont chargés de collecter la charge lorsque les disques se repoussent car ils sont chargés de charges du même signe, comme le montre la figure, et stockent ladite charge dans les bouteilles Leyden qui leur sont reliées.

Pour ce faire, la partie interne du U fait saillie des pics en forme de peigne dirigés vers les faces externes de chaque disque, mais sans les toucher. L'idée est que la charge positive se concentre sur les pointes, de sorte que les électrons expulsés des secteurs sont attirés et s'accumulent dans le plateau central des bouteilles.

De cette manière, le secteur faisant face au collecteur perd tous ses électrons et reste neutre, tandis que la plaque centrale du Leyde est chargée négativement.

Dans le collecteur opposé, c'est l'inverse qui se produit, le collecteur délivre des électrons à la plaque positive qui lui fait face jusqu'à ce qu'elle soit neutralisée et que le processus se répète en continu.

Applications et expériences

La principale application de la machine Wimshurst est d'obtenir de l'électricité à partir de chaque enseigne. Mais il présente l'inconvénient de fournir une tension assez irrégulière, car elle dépend de l'actionnement mécanique.

L'angle des barres de neutralisation peut être modifié pour régler un courant de sortie élevé ou une tension de sortie élevée. Si les neutraliseurs sont éloignés des collecteurs, la machine délivre une haute tension (jusqu'à plus de 100 kV).

En revanche, s'ils sont proches des collecteurs, la tension de sortie diminue et le courant de sortie augmente, et peut atteindre jusqu'à 10 microampères à des vitesses de rotation normales.

Lorsque la charge accumulée atteint une valeur suffisamment élevée, un champ électrique élevé est produit dans les sphères reliées aux plaques centrales du Leyde.

Ce champ ionise l'air et produit l'étincelle, déchargeant les bouteilles et donnant lieu à un nouveau cycle de charge.

Expérience 1

Les effets du champ électrostatique peuvent être appréciés en plaçant une feuille de carton entre les sphères et en observant que les étincelles y font des trous.

Expérience 2

Pour cette expérience, vous aurez besoin de: un pendule composé d'une balle de ping-pong recouverte d'une feuille d'aluminium et de deux feuilles de métal en forme de L.

La boule est suspendue au milieu des deux feuilles au moyen d'un fil isolant. Chaque feuille est reliée aux électrodes de la machine Wimshurst par des câbles avec des pinces.

Lorsque la manivelle est tournée, la bille initialement neutre oscille entre les lames. L'un d'eux aura un excès de charge négative qui cédera à la balle, qui sera attirée par la feuille positive.

La bille déposera son excès d'électrons sur cette feuille, elle sera brièvement neutralisée et le cycle se répétera à nouveau tant que la manivelle continuera à tourner.

Références

1. De Queiroz, A. Machines électrostatiques. Récupéré de: coe.ufrj.br
2. Gacanovic, Mico. 2010. Principes d'application électrostatique. Récupéré de: orbus.be