Machine électrostatique - Définition

Introduction

Grande machine électrostatique de Van Marum au Teylers Museum, Hollande.
À droite, batterie de bouteilles de Leyde.

La machine électrostatique est ainsi nommée parce qu'elle fait appel aux lois de l'électrostatique à la différence des machines dites électromagnétiques. Bien que des moteurs électrostatiques aient été imaginés (ils fonctionnent sur le principe de la réciprocité des générateurs électrostatiques), ils n'ont pas eu de succès (mais les nanotechnologies pourraient proposer de tels « nanomoteurs » électrostatiques) ; en revanche, en tant que générateurs de très haute tension, les machines électrostatiques connaissent leur principale application dans le domaine des accélérateurs d'ions ou d'électrons. Elles transforment l'énergie mécanique en énergie électrique dont les caractéristiques sont la très haute tension continue et le microampérage. La puissance des machines du XVIII^e siècle et du XIX^e siècle était en effet infime (quelques watts) et les frottements mécaniques ne leur laissaient qu'un très mauvais rendement. La raison en est que la densité maximale d'énergie du champ électrique dans l'air est très faible. Les machines électrostatiques ne peuvent être utilisables (de manière industrielle) que si elles fonctionnent dans un milieu où la densité d'énergie du champ électrique est assez élevée, c'est-à-dire pratiquement dans un gaz comprimé, qui est généralement l'hydrogène ou l'hexafluorure de soufre (SF₆), sous des pressions comprises entre 10 et 30 atmosphères.

Les machines à frottement

C'est l'électrisation par triboélectrification qui engendre les charges électriques.

Les premiers générateurs électrostatiques s'appellent des machines à frottement (ou à friction) en raison de l'utilisation du frottement dans le procédé de génération de charges. En 1600, William Gilbert, médecin privé de la reine Élisabeth, publia un traité en latin, De Magnete, sur le magnétisme et les propriétés d'attraction de l'ambre. Il trouva maintes autres substances qui, frottées, se comportaient comme l'ambre. Il les appela « électriques ». Une forme primitive de machine électrique à friction a été construite vers 1663 par Otto von Guericke, de Magdebourg, en utilisant un globe de soufre en rotation frotté à la main. Isaac Newton a suggéré l'utilisation d'un globe de verre au lieu d'un globe de soufre ; en 1707, Francis Hauksbee construisit une telle lampe à décharge.

Illustration d'une machine de Ramsden

Vers 1740, les mains furent remplacées par des frotteurs mécaniques, des coussinets en cuir, le globe fut remplacé par des cylindres de verre. Il faut attendre 1730 et Stephen Gray pour comprendre la conduction électrique. Il établit une liste de conducteurs et d'isolateurs, complétant celle des électriques faite par Gilbert, les isolateurs figurant parmi les meilleurs électriques. Gray découvrit par hasard que les charges électriques ne remplissent pas un corps mais sont entièrement à sa surface. Charles-François Du Fay avec l'aide de l'abbé Nollet découvrent l'électricité vitreuse et l'électricité résineuse : les charges d'une espèce attirent celles de l'autre espèce. Les charges semblables se repoussent. Les corps non chargés devraient contenir une quantité égale de chacune. L'invention du condensateur électrique sous la forme de la bouteille de Leyde (par E.-G. Kleist, Van Musschenbroek et son élève Cuneus, améliorée par sir William Watson, 1745-1747) permet de renforcer l'intensité des décharges. 1768, machine de Ramsden [1]. 1784, la machine de Van Marum. 1785, la machine de N. Rouland (un des ancêtres du générateur Van de Graaff). 1840, la machine de Woodward a été développée comme une amélioration de la machine de Ramsden (plaçant le conducteur principal au-dessus des disques). 1840, la machine hydroélectrique d'Armstrong [2]a été développée en employant la vapeur comme porteur de charge. Instrument de physique, le générateur à frottement devait le rester jusqu'à la fin (démonstrations de l'électrostatique dans les établissements scolaires jusqu'en 1905).