<HTML> <HEAD> <META NAME="author" CONTENT="Francois Bossert franois"> <META NAME="keywords" CONTENT="electrostatic electrostatique lectrostatique Wimshurst"> <META NAME="description" CONTENS="Principe et construction de la machine de Wimshurst"> <TITLE> Machine de Wimshurst </TITLE> </HEAD> <BODY background="fond.gif">  Article paru dans le Bulletin de Liaison des Professeurs de Sciences et de Technologie n 3, septembre 1975, publi par le CRDP de Strasbourg , et rdit dans le BULLETIN DE L'UNION DES PHYSICIENS  No 696, juillet, aot, septembre 1987, page 881.  <EM>Mises  jour en italique.</EM><BR> Affichage optimis pour 600 x 800. -  <A HREF="#prudence">[ Prudence ]</A> -  <A HREF="constr.htm">[ Construction ]</A> -  <A HREF="#experiences">[ Expriences ]</A> -  <A HREF="#liens">[ Liens ]</A> -  <A HREF="wimsh2.htm">[ Photos, dont celles de M.O.F. 2000 ]</A> Mise  jour : 18/06/2001. <hr>  <CENTER><TABLE BORDER=0> <TR><TD><IMG SRC="wimshurs.gif" ALT="wimshurt" WIDTH=110 HEIGHT=122 HSPACE=6 VSPACE=6 BORDER=0></TD> <TD><CENTER><H1>Machine de Wimshurst</H1> <H5>(Gnrateur lectrostatique  influence)</H5> <H4>PRINCIPE ET CONSTRUCTION </H4><H5>( TRS SIMPLE ET TRES ECONOMIQUE)</H5> <A HREF="mailto:francois.bossert@evc.net">Franois BOSSERT</A>, Lyce Louis Couffignal, Strasbourg.</CENTER> </TD> <TD><IMG SRC="wimshurs.gif" ALT="wimshurt" WIDTH=110 HEIGHT=122 HSPACE=6 VSPACE=6 BORDER=0></TD></TR> </TABLE> </CENTER>   <p> Les expriences d'lectrostatique sont certainement parmi les plus spectaculaires et les plus attrayantes des cours de Physique. Elles veillent toujours l'intrt, souvent l'enthousiasme de l'auditoire. Certaines expriences sont parfaitement comprhensibles par de jeunes lves : attractions - rpulsions, isolants - conducteurs. Pour la plupart des belles expriences, les btons lectriss par frottement sont insuffisants, et le gnrateur lectrostatique s'impose. <p> Les applications industrielles de l'lectrostatique se dveloppent : peinture lectrostatique - photocopie par xrographie piges  fumes - dpoussirage, etc. Ce n'est plus un amusement de cabinet de Physique ! Les forces de cohsion de l'atome sont surtout lectrostatiques, et elles sont considrables. <p> Pourquoi la machine de Wimshurst ? Elle n'a aucun intrt industriel : sa puissance est de l'ordre du watt (c'est cependant plus que suffisant pour repeindre votre vlo !)  Les vieilles machines  frottement (Ramsden, Le Roy, Nairne) ont un fonctionnement capricieux et un faible dbit. Les machines modernes (Flici, Jolivet, Flici et Gartner) sont d'une technologie trop complexe. Enfin, parmi les gnrateurs  influence (Toepler, ler et 2eme machines de Holtz), la machine de Wimshurst cumule deux avantages : elle est auto-excite (une manivelle suffit  la faire fonctionner), et son excitation est indpendante de la charge des ples (elle ne se dsamorce pas). Cela la destine tout particulirement aux expriences d'lectrostatique des Lyces et Facults. <p> Mais son prix, autour de <EM>500 euros</EM>, rebutera plus d'un Collge. C'est pourtant une machine trs simple  construire soi-mme. J'en ai construite une, il y a des annes (alors que j'tais encore tudiant) avec des matriaux de rcupration. Elle me fournit 4  5 cm d'tincelles entre boules (50  70 kV). Elle ne revient pas  plus de <EM>50 euros</EM>. <p> Sa construction ne ncessite aucun ajustement prcis. Une chignole  main, une scie, un fer  souder, lime, pince et tourne-vis sont amplement suffisants. Il n'est pas besoin d'tre bon bricoleur pour mener  bien cette ralisation. Nous nous efforcerons de guider pas  pas le lecteur dans son ouvrage.  <p> Enfin, rappelons le principe de la machine de Wimshurst. Une bonne comprhension de son fonctionnement est certainement utile  celui qui en entreprend la ralisation. <H4>Biographie</H4> Wimshurst James, 1832-1903, n  Londres, physicien britannique. Il inventa la machine lectrostatique  influence qui porte son nom et dmontra qu'il est possible de disperser et de rflchir les rayons X. (source : encyclopdie Bordas).<BR> Sa machine lectrostatique daterait de <STRONG>1882</STRONG> ?<BR><BR> <hr>   <H2>PRINCIPE</H2>.  Le gnrateur se compose de deux plateaux identiques, sur lesquels sont gnralement colles des bandes de papier d'tain, et qui tournent en sens inverse. Deux conducteurs diamtraux,  60 , portent  leurs extrmits des balais frottant sur les plateaux. Deux paires de peignes recueillent les charges des plateaux, et chargent les condensateurs de l'appareil. Un clateur rglable complte le tout.  <H3>Etude qualitative du fonctionnement.</H3> <TABLE BORDER=0> <TR><TD><IMG SRC="fig1.gif" ALT="fig1 : zones" WIDTH=425 HEIGHT=330 HSPACE=8 VSPACE=8 BORDER=2></TD> <TD>Le fonctionnement est symtrique, avant-arrire, au signe prs. Considrons un demi-tour de plateau. <p> Examinons, en supposant les plateaux munis de secteurs mtalliques, les phnomnes dans chaque zone (fig. 1).</TD></TR> </TABLE>  <p> <TABLE BORDER=0> <TR><TD>La charge des secteurs arrire est ngative. Il apparat par influence des charges + et - sur les secteurs avant (fig.2). </TD><TD><IMG SRC="fig2.gif" ALT="fig2 : zone 1"WIDTH=224 HEIGHT=214 BORDER=2></TD></TR> </TABLE>  <p> <TABLE BORDER=0> <TR><TD><IMG SRC="fig3.gif" ALT="fig3 : zone 2" WIDTH=245 HEIGHT=208 BORDER=2></TD> <TD>Le secteur avant est mis  la terre (ou en contact avec le secteur diamtralement oppos, si les porte-balais sont isols) par le balai (dverseur). Comme pour l'lectrophore, il ne reste que des charges + en regard des secteurs arrires (fig. 3). <BR> <EM>C'est ici que se produit la charge par influence du secteur avant.</EM></TD></TR> </TABLE>  <p> <TABLE BORDER=0> <TR><TD>Il y a superposition de deux tats : la charge + acquise par le secteur dans la zone no 2, et l'influence comme dans la zone no 1. La charge des secteurs avant est maintenant + (fig. 4).</TD> <TD><IMG SRC="fig4.gif" ALT="fig4 : zone 3" WIDTH=215 HEIGHT=195 BORDER=2></TD></TR> </TABLE>  <p> <TABLE BORDER=0> <TR><TD><IMG SRC="fig5.gif" ALT="fig 5 : zone 4" WIDTH=242 HEIGHT=205 BORDER=2></TD> <TD>L'effet symtrique de celui de la zone no 2 se produit pour les secteurs arrire; ils acquirent l une charge (qui ira ensuite influencer les secteurs avant dans la zone no 2 (fig. 5).</TD></TR> </TABLE>  <p><TABLE BORDER=0> <TR><TD>Zone 5 : les secteurs avant, toujours chargs + progressent vers les peignes de la borne + . <p> Zone 6 : dcharge du secteur avant (et du secteur arrire venant du bas) entre les peignes (capteur) : nous sommes  l'intrieur d'une cage de Faraday (fia. 6). </TD> <TD><IMG SRC="fig6.gif" ALT="fig6" WIDTH=244 HEIGHT=239 BORDER=2></TD></TR> </TABLE>  <p> <TABLE BORDER=0> <TR><TD><IMG SRC="fig7.gif" ALT="fig7" WIDTH=220 HEIGHT=198 BORDER=2></TD> <TD>Bien entendu, il se produit sur les autres demi-plateaux des effets symtriques. <p> On pourra symboliser les distributions lectriques induites par influence sur le schma (fig. 7). Les plateaux sont rprsents par des cercles concentriques. La distribution des couches tend  se maintenir.</TD></TR> </TABLE>   <H3>Fonctionnement quantitatif.</H3> <IMG SRC="fig37.gif" WIDTH=390 HEIGHT=202 HSPACE=6 VSPACE=6 BORDER=2 ALIGN=right> Le fonctionnement de la machine de Wimshurst n'est pas aussi simple qu'il apparat  premire vue, et il sort du cadre de cette tude. La littrature scientifique semble parseme d'approximations  ce sujet. Une tude approfondie des quipotentielles ou du champ autour de la zone no 2 est ncessaire. <P><EM>La figure ci-contre nous montre que le champ lectrique se ressere vers le secteur  la terre. Le thorme des lments correspondant nous montre alors que la charge du secteur  la terre est suprieure  la charge unitaire des secteurs du disque oppos.</EM> Le processus de la zone no 2 est divergent, et la charge des secteurs lectriques augmente jusqu' la limite de fuite (on observe facilement ces fuites dans l'obscurit). <p> On peut raliser le transport des charges sur l'isolant, en ne collant pas de secteurs mtalliques. Il faut alors remplacer les balais par de soigneux peignes ioniseurs. On l'appelle machine de <STRONG>Bonetti</STRONG>. <BR> Avec des secteurs mtalliques et des balais elle est plus simple  construire et  mettre au point, malgr les inconvnients (plus de fuite, " raction d'induit " plus importante).    <H3>Schma du gnrateur.</H3> <IMG SRC="fig8.gif" ALT="fig8" WIDTH=366 HEIGHT=298 BORDER=2 ALIGN=left> Les ples de la machine se chargent donc d'lectricits contraires. Deux bouteilles de Leyde permettent une accumulation suffisante des charges. <p> Remarquons la construction symtrique par rapport  la masse : nous aurons simultanment les deux lectricits. En utilisant l'analogie entre E, champ lectrostatique et H, excitation magntostatique (ou V et I), on peut comparer un gnrateur lectrostatique  un gnrateur lectromagntique. Ce dernier est caractris par sa L.m.  vide, son impdance interne, le courant fourni, l'lectrostatique le sera par son courant de court-circuit, sa conductance interne (fuites) et la d.d.p. fournie (on pourra aussi comparer les ractions d'induit). <p> C'est donc un gnrateur de courant ! (fia. 8). <p> Rien de surprenant : il y a transport de charges lectriques. <p> La d.d.p. maximale que peut fournir la machine n'est limite que par ses fuites : aigrettes, tincelles entre les diffrentes parties. Les meilleures montent  100 kV (10  15 cm d'tincelles). <p> Quelques potentiels explosifs dans l'air sec entre boules 1 cm, - 25 kV - 3 cm, - 50 kV - 10 cm, - 80  100 kV.   <H3>Rversibilit.</H3> Le trs faible rendement des machines anciennes rend l'exprience dlicate, (avec 2 machines, les amorcer, drailler les courroies du moteur). <H3>Amorage<EM> et polarit</EM>.</H3> Amorage : prsenter un bton lectris  l'oppos d'un balai, ce qui amorce le cycle d'influence, et dtermine le signe des ples. Mme l'clateur ouvert, la machine dmarre!  <P><EM>La machine est symtrique et le signe des ples dpend des conditions initiales. En utilisant pour l'amorage un bton frott dont on connat le signe de l'lectricit, il est possible de dmarrer la machine dcharge avec le signe voulu sur le ple voulu. </EM><P><EM>On peut reconnatre le ple positif  l'extrmit plus brillante de l'tincelle grle que donne la machine prive de ses condensateurs. [Bois. 15]. <BR> Si on utilise un tube  gaz au non, du type pour tester la prsence de la tension secteur, c'est l'lectrode ngative qui s'illumine en rouge. </em><BR><BR> <a name="prudence"></a> <hr> <TABLE BORDER=0> <TR><TD ALIGN=MIDDLE><IMG SRC="fig36.gif" ALT="fig36" WIDTH=110 HEIGHT=130 BORDER=2></TD> <TD><CENTER><H1><STRONG>PRUDENCE!</STRONG></H1> <H2>NE PAS CHARGER DE GRANDE BATTERIE DE CONDENSATEURS DANGER DE MORT.</H2></CENTER></TD> <TD><IMG SRC="fig36.gif" ALT="fig36" WIDTH=110 HEIGHT=130 BORDER=2></TD></TR> </TABLE>   <P>Ne pas prendre de capacit suprieure  quelques dizaines de picofarad ! Une batterie classique, de <U>bouteilles de Leyde, a une capacit de l'ordre du nF, ou plus, et c'est beaucoup trop ! </U>Un tube  ssai, comme dcrit plus loin, a une capacit de 33 pF, et convient parfaitement. <P>Evitez le contact avec les parties sous tension. <P>Ne pas travailler en atmosphre explosive ni prs de matires inflamables. <P>La construction et l'utilisation de la machine de Wimshurst se fait au risques et prils de l'utilisateur.  <hr> <A HREF="constr.htm"><H2>CONSTRUCTION.</H2></A> <a name="wimsh"></a>  <A HREF="wimsh2.htm"><H3>Photos de machines de Wimshurst</H3></A>Dont celle des 2 laurats du concours Meilleur ouvrier de France 2000.   <hr> <a name="experiences"></a> <H2>EXPERIENCES</H2>  <H3>EXPERIENCE DU CARILLON ELECTRIQUE.</H3> <IMG SRC="fig34.gif" ALT="fig34" WIDTH=254 HEIGHT=331 BORDER=2 align=right> Avant de dcrire cette exprience trs spectaculaire et facile  raliser, quelques mots sur la prsentation de-la machine de Wimshurst aux lves : on leur fera constater qu'elle produit les mmes effets que les btons lectriss, sur un lectroscope par exemple.<BR> <ul> <li><H4>Montage</H4>	<ul> 	<li>Placer deux supports isolants  environ 30 cm devant la machine (ou plutt du ct oppos  la manivelle, 	ct face aux lves). Y immobiliser deux timbres de sonnette (comportant un trou central) par deux fils courts 	(30 cm) munis de fiches bananes.  	<li>Relier l'autre bout des fils aux ples de la machine (avec pince crocodile). 	 	<li>Former le pendule avec un boulon ( nominal 8  10 mm,  six pans arrondis) et 50 cm de fil nylon pour 	pche  la ligne.  	<li>Disposer les timbres  10 cm l'un de l'autre et le pendule avec un support universel de chimie au 	centre  	la hauteur des 	cloches (fig. 34). 	</ul> <li><H4>Conduite de l'exprience :</H4> Faites monter la-tension du gnrateur. Aider le pendule  se charger en le poussant vers un timbre avec un bton isolant. Il se met immdiatement  battre.<BR> Avec des condensateurs tube  essais chargs, le carillon fonctionne plus d'une minute. Ds que l'on dcharge la machine, il cesse de tinter (pendule bien au centre au repos)<BR> <li><H4>Explication.</H4> Attraction et rpulsion du pendule (isol) par les timbres au contact, il prend une partie de la charge et est ensuite repouss et attir par l'autre timbre, etc. </ul> <HR> <H3>EXPERIENCE DE PEINTURE ELECTROSTATIQUE.</H3> Cette exprience montre l'intrt de la peinture lectrostatique : pas ou peu de pertes. Faite ici  l'encre de Chine, elle vite tout risque d'incendie (alors que les solvants de certaines peintures sont trs inflammables). <ul> <li><H4>Matriel :</H4> 	<ul> 	<li>Machine de Wimshurst,  	<li>2 supports isolants, 	<li>1 grande feuille de papier journal, 	<li>encre de Chine, liquide, 	<li>1 tire-ligne  bec en mtal (dans toute boite de compas), 	<li>1 tube de mdicament, mtallique, blanc si possible, 	<li>fils de connexions, pinces crocodiles. noix. 	</ul> <li><H4>Montage et conduite de l'exprience</H4> 	<ul> 	<li>Amorcer au pralable la machine et fermer l'clateur. A au moins 50 cm de la machine, disposer les deux 	supports isolants sur la feuille de journal.<BR> 	<li>Sur l'un fixer avec une pince crocodile, le tube de mdicament horizontalement.<BR> 	Sur l'autre de mme, fixer le tire-ligne horizontalement, sa pointe dirige vers le ct du tube,  environ 5  10 	cm (fig. 35). Rgler le tire-ligne pour un trait de 1/2  1/3 de mm., le garnir 1 d'encre de Chine (la pointe doit 	tre mouille par l'encre. 	<li>Relier chaque accessoire aux ples de la machine, fils tendus ou ne touchant pas la table.Ouvrir l'clateur et mettre en route. 	<li>S'il ne se produit rien, inverser les polarits des accessoires (c'est--dire changer leur place, pour viter 	de croiser les fils de connexion). Le tube reoit une fine pluie d'encre de Chine, le papier journal reste propre ! 	<li><EM>Les encres de chine modernes sont souvent trop fluides pour bien mouiller la pointe, il faut les "alourdir" 	en prparant des mlanges avec des encres d'imprimerie ou celle rcupre dans des stylos-bille. La goutte 	d'encre doit bien dpasser la pointe du tire ligne pour que l'exprience fonctionne.</EM> 	</ul> </ul> <CENTER><IMG SRC="fig35.gif" ALT="fig35" WIDTH=424 HEIGHT=306 BORDER=2></CENTER>   <hr> <H2>CONSEIL POUR LES EXPERIENCES D'ELECTROSTATIQUE.</H2> Si, en hiver, lorsque fonctionne le chauffage central, la machine et accessoires sont gnralement bien secs, il n'en n'est plus de mme quand il n'y a plus de chauffage. <P>Donc, avec un sche-cheveux, scher soigneusement machine et accessoires avant les expriences ! <hr> <TABLE BORDER=0> <TR><TD ALIGN=MIDDLE><IMG SRC="fig36.gif" ALT="fig36" WIDTH=110 HEIGHT=130 BORDER=2></TD> <TD><CENTER><H1><STRONG>PRUDENCE!</STRONG></H1> <H2>NE PAS CHARGER DE GRANDE BATTERIE DE CONDENSATEURS DANGER DE MORT.</H2></CENTER></TD> <TD><IMG SRC="fig36.gif" ALT="fig36" WIDTH=110 HEIGHT=130 BORDER=2></TD></TR></TABLE> <P>Ne pas prendre de capacit suprieure  quelques dizaines de picofarad ! Une batterie classique, de <U>bouteilles de Leyde, a une capacit de l'ordre du nF, ou plus, et c'est beaucoup trop ! </U>Un tube  ssai, comme dcrit plus loin, a une capacit de 33 pF, et convient parfaitement. <P>Evitez le contact avec les parties sous tension. <P>Ne pas travailler en atmosphre explosive ni prs de matires inflamables. <P>La construction et l'utilisation de la machine de Wimshurst se fait au risques et prils de l'utilisateur.  <hr>   <H2>BIBLIOGRAPHIE</H2> <ul><li>[Mas. 76] M.E. MASCART. - Trait d'Electricit Statique (Masson, Paris, 1876). <li>[Bois. 15] L. Boisard - L'inversion des ples de la machine de Wimshurst - Bulletin de l'Union des Physiciens (janv. fv. mars 1915, page 45).  <li>[Bou. 20] H. BOUASSE. - Cours de Magntisme et d'Electricit (3e partie) (2e Ed. Dela.-rave, Paris, 1920). <li>[Ziv. 26] L. Zivi.,- Explication du fonctionnement de la machine de Wimshurst - Bulletin de l'Union des Physiciens (no 196., oct. 1926, page 4). <li>[Neu. 42] U. NEUBERT. - Elektrostatiche Generatoren (Oldenbourg, Munich, 1942). <li>[Fl. 47] N. FLICI. - Machines lectrostatiques puissantes (Journ. Phys. VIII -Tome IX, fvr. 1948). <li>[Fl. 49] N. FLICI. - Machines lectrostatiques puissantes (Journ. Phys. VIII - Tome X, avr. 1949). <li>[Gar. 52] E. GARTNER. - Contribution  l'tude des gnratrices lectrostatiques  transporteurs isolants (Thse no 34, Univ. Grenoble, Fac. Sciences, 1952). <li>[Jol. 52] P. C. JOLIVET. - Sur une nouvelle machine lectrostatique  influence (Thse no 1, Fac. Sciences Alger, 1952). <li>[Fl. 61] N. FLICI. - L'lectrostatique, nouvelle branche de l'lectrotechnique (Conf. Palais Dcouverte, 14 janv. 1961). <li>[Bru. 63] G. BRUHAT. - Cours de Physique Gnrale - Electricit (8e Ed. Masson et Cit, Paris, 1963). <li>[Bos.75] F. BOSSERT. - Machine de Wimshurst, - Bulletin de Liaison des Professeurs de Sciences et de Technologie (n 3, septembre 1975,  CRDP de Strasbourg). <li>[Bos.87] F. BOSSERT. - Machine de Wimshurst, - Bulletin de l'Union des Physiciens (n 696, juillet, aot, septembre 1987, page 881).  </ul> <a name="liens"></a> <H2><EM>Liens internet</EM></H2> <ul> <li><A HREF="http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html">http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html</A> trs beau site, trs complet,  sur les machines lectrostatiques,  de A.C.M. de Queiroz, <STRONG> voir absolument !</STRONG> <li><A HREF="http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/enseignement/tp/wimshurst/wimshurst.html">http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/enseignement/tp/wimshurst/wimshurst.html</A> dessin anim de machine de Wimshurst. <li><A HREF="http://perso.wanadoo.fr/daniel.giroux/page01.htm">http://perso.wanadoo.fr/daniel.giroux/page01.htm</A> Le muse virtuel de Daniel Giroux. <li><A HREF="http://www.eskimo.com/~billb/emotor/statelec.html">http://www.eskimo.com/~billb/emotor/statelec.html</A> divers liens. <li><A HREF="http://www.eskimo.com/~billb/emotor/emotor.html">http://www.eskimo.com/~billb/emotor/emotor.html</A> moteur lectrostatique (fait avec des bouteilles en plastique). <li><A HREF="http://www.netspace.net.au/~tphefley/index.html">http://www.netspace.net.au/~tphefley/index.html</A> <li><A HREF="http://www.phy.mtu.edu/LECDEMO/websit/refs/refsj.htm#J2-01">http://www.phy.mtu.edu/LECDEMO/websit/refs/refsj.htm#J2-01</A> rfrences bibliographiques. <li><A HREF="http://www.intranet.csupomona.edu/~physics/demo/elect-mag.html">http://www.intranet.csupomona.edu/~physics/demo/elect-mag.html</A> Plein d'expriences d'lectricit.</li> <li>Exemple de <A HREF="typon.zip">typon</A> pour plateaux de 20 cm, pour imprimante  jet d'encre H.P., que l'on peut agrandir  la photocopieuse</li> <li><A HREF="http://mbox.unipa.it/~radpa/museo/museo.html">Muse de la radiologie</A>  Palerme en Sicile.</li> <li><A HREF="http://perso.wanadoo.fr/c.david/whimhu.htm">http://perso.wanadoo.fr/c.david/whimhu.htm</A>, expriences avec une mahine de Wimshurst de C.David</li> <li><A HREF="http://www.electricity.fr.fm/">http://www.electricity.fr.fm/</A> lectricit ancienne par B.Thomas.</li> <li>L '<A HREF="http://www.electropolis.tm.fr/frelectro.html">lectricit statique</A> au muse Electropolis de Mulhouse.</li> </ul> <P> <A HREF="constr.htm"><H5>Construction</H5></A> <P><A HREF="../../index.html"><H5>retour UdP Strasbourg</H5></A>   </BODY> </HTML> 
