Machine magnéto-électrique de Gramme

MACHINE MAGNÉTO-ÉLECTRIQUE DE GRAMME

Le problème que s’est proposé M. Gramme est celui de transformer la force mécanique en électricité, en se servant comme intermédiaire du magnétisme. Pixii a le premier résolu ce problème en construisant une machine qui est plus connue sous le nom de Clarke et qui a reçu une série de perfectionnements de MM. Wilde, Siemens, Wheatstone et Ladd. Tous ces appareils, fondés sur le même principe, produisent des courants alternativement de sens contraire, de sorte que pour beaucoup d’usages on est obligé de pourvoir la machine d’un redresseur ou commutateur ; cet organe est sujet à s’user rapidement par les étincelles qui s’y produisent inévitablement et ces étincelles même font perdre une quantité notable de l’électricité produite.

Beaucoup de physiciens cherchaient un moyen de produire des courants d’induction continus, et ce problème est encore à l’ordre du jour ; mais M. Gramme en a trouvé une solution éminemment pratique, fondée sur un artifice très-remarquable. Son appareil se compose d’un électro-aimant de forme particulière, mobile entre les pôles d’un aimant ou d’un électro-aimant. L’électro-aimant mobile présente l’aspect d’un anneau tournant autour de son centre et dans son plan. On peut lui donner le nom d’électro-aimant sans fin, car le noyau est un anneau de fer sans solution de continuité et le fil qui est enroulé sur ce noyau ne présente non plus aucune solution de continuité. On peut le concevoir comme formé par un électro-aimant droit, qu’on aurait courbé en cercle, et qu’on aurait soudé par les extrémités, fer contre fer, et fil avec fil. On sait que certains électro-aimants droits (notamment ceux des bobines d’induction) sont formés de bobines distinctes placées les unes au bout des autres en chaîne, c’est-à-dire en tension ; c’est aussi de cette façon qu’est distribué le fil sur l’anneau de Gramme.

Pour comprendre l’action de la machine, il faut se reporter à l’expérience la plus simple qu’on puisse faire sur l’induction, mais il faut l’analyser complètement.

Considérons un barreau aimanté A B d’un mètre de long, et une spire de fil conducteur, en mouvement réciproque ; si on approche la spire du barreau, il s’y développe un courant d’induction, c’est là le gros du phénomène que nous allons examiner en détail. Si on fait entrer le barreau dans la spire par une série de mouvements successifs d’égale étendue (5 centimètres par exemple), on observe qu’à chacun de ces mouvements correspond un courant d’induction et que ces courants sont de même sens jusqu’au moment où la spire arrive en face de la ligne neutre et qu’ils sont de sens opposé, si le mouvement continue dans le même sens au delà de la partie neutre ou point milieu.

Ainsi, dans le parcours entier de la spire sur l’aimant, on distingue deux périodes tranchées ; dans la première moitié du mouvement, les courants sont de sens direct ; dans la seconde, ils sont de sens inverse. Or que se passe-t-il dans la machine Gramme ? l’anneau de fer est aimanté par l’influence de l’aimant et le magnétisme s’y trouve distribué de la manière suivante : en B et A (fig. 1) sont des pôles, tandis que dans les points à angle droit M, M’, il y a des parties neutres ; pendant le mouvement de l’anneau, cette distribution du magnétisme ne change pas, ou du moins elle ne change pas dans l’espace, par cette raison même qu’elle change instantanément dans le fer, qui est sans force coercitive.

Tout se passe donc comme si le fer était immobile et si les spires de fil seules se mouvaient sur un barreau aimanté. Si l’on poursuit cette analyse, on voit que, dans chacune des bobines de l’anneau de Gramme considérée isolément, il se développe un courant qui, partant d’un des pôles A, conserve le sens direct jusqu’à la ligne neutre M’, prend le sens inverse de M jusqu’au pôle B, garde le sens inverse de B à la ligne neutre M’ et reprend le sens direct de M’ au pôle A. En d’autres termes, le courant qui prend naissance dans une bobine reste le même d’un point neutre à l’autre ; si son sens est direct au-dessus de cette ligne, il est inverse au-dessous.

Dès lors nous voyons que les 15 bobines qui, à un moment donné, sont dans le demi-cercle supérieur, sont toutes à la fois parcourues par des courants de sens positif qui s’ajoutent en tension ; les 15 bobines qui sont dans la moitié inférieure sont également le siège de courants tous de sens inverse, associés en tension ; le courant total d’en haut est exactement équilibré par le courant total d’en bas, et l’ensemble de la machine est tout à fait comparable au système de deux piles de 15 éléments chacune, associées en opposition ; quand on veut utiliser un système semblable, on n’a qu’à mettre les deux extrémités d’un circuit en communication avec les pôles opposés communs des deux piles ; dès lors les courants des deux piles ne sont plus en opposition : ils sont associés en quantité.

C’est aussi de cette façon qu’il faut recueillir les courants développés dans l’anneau de Gramme ; il faut établir les collecteurs sur la ligne des points neutres ; ces collecteurs sont formés de pinceaux métalliques ou balais qui frottent sur la série de pièces métalliques R (fig. 4) liées métalliquement avec les points de jonction des bobines.

Cette disposition étant tout à fait nouvelle, il importe de s’y arrêter un instant, pour la faire bien comprendre.

La figure 1 montre assez clairement les différentes bobines ou éléments de l’anneau, et les pièces rayonnantes R, isolées les unes des autres et rattachées chacune au bout sortant d’une bobine et au bout entrant de la voisine. On voit donc que les courants seront recueillis sur les pièces R comme ils le seraient sur la soudure même d’une bobine à l’autre.

La figure 2 montre encore les pièces rayonnantes R de la même façon ; l’appareil y est vu par derrière. La figure 3, qui présente une coupe de l’anneau, montre que les pièces R sont recourbées à angle droit et que leur seconde partie, parallèle à l’axe, est logée à l’intérieur de l’anneau et le dépasse. La figure 4 enfin, qui représente la machine vue par devant, montre les pièces R rapprochées en un cylindre de petit diamètre, mais toujours isolées les unes des autres. On y voit également les balais, frottant sur les pièces R, dans le plan perpendiculaire à la ligne des pôles, c’est-à-dire aux points milieux ou neutres M, M’. Il est aisé de comprendre, en se reportant à ce qui précède, que le sens du courant fourni par la machine change quand on change le sens de la rotation.

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On voit également que l’intensité du courant augmente avec la vitesse de rotation ; et comme la résistance est constante, on est conduit à penser que la force électro-motrice seule varie ; une expérience grossière nous a montré que la force électro-motrice est proportionnelle à la vitesse, et cette observation a été vérifiée avec certaines réserves par M. Mascart. Quant à la continuité du courant, elle résulte manifestement de ce qui précède ; le mouvement producteur de l’électricité est continu et le circuit n’est jamais rompu, car les frotteurs ou balais commencent à toucher l’un des rayons avant d’avoir abandonné le précédent, et leur nature flexible et multiple fait qu’ils touchent toujours par quelques-unes de leurs parties sinon par toute leur largeur.

Telle est la machine Gramme qui fournit des courants continus comme une pile, des courants constants si son mouvement est uniforme et des courants d’intensité variable à volonté dans des limites assez étendues, avec la vitesse du mouvement. Il est facile de modifier cette machine pour lui faire produire des effets de tension ou de quantité en enroulant sur l’anneau du fil fin ou gros ; la résistance de la source varie ainsi à volonté par la construction de la machine et à ces différentes résistances correspondent des tensions différentes de l’électricité fournie par la machine.

La théorie paraît indiquer que pour une même dépense de force mécanique, la tension varie en raison inverse de la racine carrée de la résistance. On peut considérer la machine Gramme comme un élément de pile et l’associer avec d’autres semblables soit en tension, soit en quantité, pour obtenir des effets qu’on peut calculer à l’avance.

Les personnes qui ont suivi les progrès introduits dans les machines magnéto-électriques depuis M. Wilde remarqueront que ces derniers perfectionnements consistaient au fond dans ce seul point, d’ailleurs fort important ; les aimants excitateurs des machines Pixii et Clarke ont été remplacés par des électro-aimants beaucoup plus puissants, excités eux-mêmes par l’action de la machine. Il va sans dire que cette substitution des électro-aimants aux aimants est applicable à la machine Gramme ; et elle a été réalisée en effet ; c’est au moyen de machines de ce genre qu’on est parvenu à produire les étonnants effets de lumière dont nous parlerons plus loin. Mais la découverte récente, faite par M. Jamin, de nouveaux procédés pour obtenir des aimants d’une force extraordinaire et d’un prix relativement bas soulève une question fort importante[1].

Y a-t-il réellement avantage à substituer des électro-aimants aux aimants ? Il nous semble que poser cette question, c’est la résoudre. Supposons, en effet, que nous ayons à notre disposition un aimant d’une énergie magnétique égale à celle de l’électro-aimant qui le remplacerait, l’avantage du premier sur le second est frappant ; car l’électro-aimant n’a de vertu magnétique qu’autant qu’on l’excite au moyen d’un courant électrique, c’est-à-dire d’une dépense de force ; tandis que l’aimant garde invariablement le magnétisme qu’il a une fois reçu. Ainsi, au point de vue de la production économique de l’électricité, on voit qu’une machine à aimant dépense beaucoup moins qu’une machine à électro-aimant. D’ailleurs un électro aimant est fabriqué avec du fer très-doux et du cuivre rouge en fils recouverts de coton et soigneusement isolés ; son prix ne peut donc être aussi économique que celui d’un aimant construit par la méthode Jamin.

En résumé donc, une machine magnéto-électrique à aimant coûte moins à établir qu’une machine à électro-aimant, et la production de l’électricité avec la première coûte moins qu’avec la seconde. On pourrait encore indiquer des avantages accessoires, par exemple, celui-ci : le magnétisme de l’aimant est constant, tandis que celui de l’électro-aimant est variable avec la vitesse de la machine ; cette permanence du magnétisme donne au moins une plus grande facilité à certaines expériences.

Les applications de cette machine sont faciles à réaliser ; déjà les ateliers de M. Christophle emploient depuis six mois une machine de grande dimension qui est mise en mouvement par un moteur à vapeur ; cette machine a une résistance et une tension très faibles ; la tension est celle de deux éléments Bunsen seulement ; mais la quantité est très-grande : elle est égale à celle de 32 Bunsen ordinaires.

D’autres machines sont en construction pour la même maison, et le jour n’est pas éloigné où toute la galvanoplastie, la dorure et l’argenture industrielles se feront à la machine à vapeur. Un brûlera du charbon avec de l’air, au lieu de brûler du zinc dans des acides. L’économie qu’on réalise par ce changement de procédés est de 80 pour 100. Une première machine à lumière a été construite et a donné des résultats inattendus ; on a mesuré au photomètre une lumière égale à 900 becs Carcel, c’est-à-dire la lumière artificielle la plus intense qui ait encore été produite. Cette machine dépensait environ la force de quatre chevaux-vapeur.

Il sera facile de faire des machines moins puissantes qui ne dépenseront qu’une force beaucoup moindre. Ces appareils, d’une construction très-simple et très-solide, seront d’un emploi avantageux à bord des navires ; ils n’ont aucun des inconvénients qui ont empêché la marine d’adopter les machines de l’Alliance. Les nombreuses collisions qu’on a eu à déplorer, l’hiver dernier, dans la Manche et dans la mer d’Irlande, donnent un intérêt particulier à cette importante application. Pour ces grandes applications industrielles, ce sont des machines à électro-aimant qu’on a employées jusqu’à présent.

Les petites machines à aimant ont trouvé aussi de nombreux usages. Les médecins ont déjà reconnu que la machine Gramme pouvait suffire à tous les cas dans lesquels ils emploient l’électricité. Elle permet la cautérisation au moyen d’un fil de platine rougi. Elle se prête à la décomposition électro-chimique des tissus, qui se pratique dans la résolution de certaines tumeurs. Elle fournit un courant continu et peut être mise en mouvement par le malade lui-même, dont on soumet un organe à l’action du flux électrique continu. Enfin elle donne des chocs violents chaque fois qu’on rompt le circuit et peut remplacer les appareils d’induction voltaïque qui sont si employés dans la pratique médicale. En effet, l’extra-courant de rupture du courant de la machine a une tension relativement considérable, parce que la source est un fil enroulé un grand nombre de fois sur un noyau de fer doux.

On construit dès à présent des machines d’une grandeur moyenne qui se meuvent à la main et qui permettent de faire la plupart des expériences des cours de physique ; ces appareils sont également utiles dans les laboratoires de recherches de physique ou de chimie, pour toutes les expériences qui ne sont pas de longue durée ; ils épargnent l’embarras de monter une pile Bunsen, opération qui prend un temps assez long et qu’on hésite souvent à faire quand on songe que l’expérience poursuivie ne durera que quelques minutes ou quelques secondes. Il va sans dire que, dans tous les cas, l’emploi de la machine Gramme fait réaliser une économie notable d’acides et de zinc, sans parler du temps des aides ou préparateurs. D’ailleurs pour une foule de recherches, il est intéressant de savoir au juste quelle est la force du courant au moment où il produit un phénomène déterminé ; avec l’appareil en question, il suffit pour cela de mesurer exactement la vitesse à un instant précis, ce qui se fait aisément au moyen d’un diapason dont les vibrations s’écrivent sur un plateau partageant le mouvement de l’anneau. Jusqu’ici on n’a pas réalisé d’appareil télégraphique proprement dit, fondé sur l’emploi de la machine Gramme ; mais les inconvénients très-grands des piles qui doivent être transportées, donnent à penser que les armées emploieront de préférence le courant des machines Gramme, que l’opérateur fera mouvoir soit au pied, soit au moyen d’un moteur à ressort ou à poids.

Pour terminer, nous indiquerons un dernier point de vue auquel il est intéressant de considérer la machine Gramme. On a beaucoup cherché deux problèmes, qui sans doute présentent tous deux un vif intérêt ; on s’est proposé :

1° De transformer l’électricité en force mécanique, c’est-à-dire de construire des moteurs électriques.

2° De transformer la force mécanique en électricité, c’est-à-dire de construire des machines électriques.

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Fig. 4. — Vue d’ensemble de la machine Gramme.

À vrai dire, on ne peut résoudre l’un de ces problèmes sans résoudre l’autre en même temps ; toutes les jolies machines électro-magnétiques de Wheatstone, de Froment et d’autres physiciens, qui ont été construites en vue du premier problème, c’est-à-dire d’une création de force, peuvent être retournées et devenir des machines magnéto-électriques ; il suffit de les faire tourner dans le sens de leur mouvement habituel pour développer des courants électriques de sens opposé à ceux qui produisaient le mouvement. D’un autre côté, les machines électriques, la machine de Holtz, la machine de Pixii (sous toutes ses formes : Clarke, Wilde, Siemens, Ladd), peuvent devenir des machines motrices ; il suffit pour les faire tourner de les soumettre à une source électrique de sens contraire à l’électricité qui serait développée par la machine. La machine de M. Gramme a été imaginée en vue de la production de l’électricité, et elle présente la solution la plus satisfaisante aujourd’hui de ce problème, tant au point de vue théorique qu’au point de vue pratique, et par cela seul, on peut affirmer et l’inventeur a vérifié d’ailleurs que cette machine est le meilleur moteur électrique connu, c’est-à-dire qu’elle a un meilleur rendement que toutes celles qui l’ont précédée. Pour mettre en lumière cette réversibilité de la fonction de la machine Gramme, il suffit d’en mettre deux dans le même circuit ; si on fait tourner la première à la main, la seconde se met aussitôt à tourner en sens inverse sous l’influence du courant électrique fourni par la première.

Niaudet Breguet

  1. Voy. p 159.