Nous avons entrepris de construire notre propre machine de Wimshurst. Voilà le site sur le quel nous avons trouvé notre protocole (cliquez ici), il est tiré du bulletin de l’union des physiciens. il s’agit donc d’une valeur sure !! Voici aussi les principales étapes par lesquelles nous sommes passés et surtout les difficultés que l’on a traversées. Si vous entreprenez à votre tour la construction de la machine : Bonne Chance !


    Nous avons fait le choix de nous occuper tout d’abord entièrement de la mécanique de la machine puis de passer à tout ce qui relève de l’électricité.


  1. Mécanique :


    La première étape a consisté à faire tourner les deux disques en sens contraires. Les deux disques étant sur le même axe, pour qu’ils puissent tourner en sens contraires, il fallait que leur mouvement soit indépendant. Nous avons donc utilisé deux tiges métalliques creuses, chacune fixée à un disque. A l’intérieur de ces deux tiges passent une tige pleine qui met les deux disques sur le même plan.

Ensuite, il fallait faire tourner les disques : pour cela nous avons utilisé un système de poulies. Nous avons fixé deux poulies sur l’axe de la manivelles et deux poulies, chacune solidaire d’un disque, sur l’axe des disques. Pour relier chaque poulie de l’axe plateau avec la poulie correspondante de l’axe manivelle, nous avons utilisé deux courroies, l’une croisée et l’autre laissée telle quelle. Ainsi lorsque l’on tourne la manivelle, les deux poulies de l’axe manivelle tourne dans le même sens mais les poulies de l’axe des disques en sens contraires.


    Dans la partie mécanique, un seul réglage nous a donné beaucoup de mal à être correctement ajusté. Il s’agit des balais. En effet pour que la machine marche il faut absolument que les balais frottent en permanence sur les disques. Ce détail n’est pas facile à régler car les secteurs forment des irrégularités sur les disques, de plus il suffit que les disques soient un peu voilés pour rendre les choses très difficiles. En effet le balai doit fonctionner comme un ressort pour « épouser » exactement les contours du disque et des secteurs. Il faut donc que les brins qui constituent le balai soient extrêmement souples. Ce fut justement l’un des défauts de nos premiers balais. La question était de savoir comment augmenter la souplesse de nos balais sachant que nous utilisions des fils de cuivre. L’une des solutions fut de rallonger les fils de cuivre et de modifier la forme des balais de manière à ce que les brins de cuivre viennent frotter perpendiculairement. Mais cette solution mit du temps à germer dans nos esprits et elle nous a obligé à repenser totalement la conception de nos balais. En effet pour réaliser la première version de nos balais nous n'avions pas tout à fait respecter les indications de F. Bossert et nos balais avait la forme d’un V plutôt que d’un demi rectangle ( je ne sais pas si c’est très clair ). Grave erreur !! Pour les balais respectez (c’est plus sûr !) les indications du mode d’emploi sauf pour les boucles qui sont inutiles.


    Pour la partie mécanique, il s’agit du seul réel problème que nous avons rencontré


  1. Electricité :


    Il s’agit de la partie qui nous a pris le plus de temps et posée le plus de problème.    Lorsque nous avons fini la machine, nous avons été confronté à une cruelle réalité : rien ne marchait !


    Alors pour trouver des solutions, nous avons tout d’abord fait des tests sur la machine pour essayer de comprendre ce qui n’allait pas mais sans succès. Nous avons donc parcouru les forums, posé des questions, lu des réponses. Cela nous a bien aidé pour cerner certains problèmes qui parfois étaient indépendants de notre volonté.


    Notamment à propos des disques : nous avions utilisé des panneaux de signalisation en plastique. Mais un internaute nous dit de nous en méfier parce certains plastiques sont traités « anti-statique », c'est-à-dire qu’on leur ajoute un produit extrêmement peu conducteur, non détectable au multimètre, pour éviter qu’il ne soit sujet à l’électricité statique. Or pour le bon fonctionnement de la machine, il est indispensable que le plastique du disque soit un parfait isolant, de l’ordre de 10^15 Ohm, pour que chaque secteur soit indépendant des autres. Il nous était impossible de vérifier si le problème venait réellement de là, mais par précaution, nous avons changé les disques et pour être sur que les nouveaux disques ne soient pas traités « antistatique », nous avons pris une planche de plexiglas que nous avons nous-mêmes découpés en « cercle » à l’aide d’une scie-sauteuse : une vraie galère !!! Si vous avez la possibilité de vous la faire couper dans un magasin spécialisé de bricolage ou d’art. Un problème était ainsi résolu mais la machine ne marchait toujours pas...


    Un deuxième problème est apparu, après de nombreux tests à l’ohmmètre, nous nous sommes aperçus les secteurs n’opposait pas une résistance nulle. L’explication mit beaucoup de temps à venir. Pour réaliser non secteurs, nous avions utilisées des plaques d’aluminium habituellement utilisées pour réaliser des chromatographies, que notre professeur de physique, nous avait gentiment données. Ces plaques ont deux faces l’une enduite d’un vernis qui la protègent contre l’oxydation mais et l’autre non. Ce deuxième côté s’oxyde donc très vite lorsqu’il est à l’air libre et présente une couche d’alumine, non conductrice. Par conséquent nous aurions dû coller les secteurs de manière à avoir le côté protégé à l’air libre. Or nous n’avions pas prêté attention à ce détail et les secteurs ne présentaient pas tous la même face. C’est à ce moment que l’avertissement de notre professeur à ce sujet nous est revenu (un peu tard !!!). Pour remédier au problème et pour avoir des secteurs conducteurs, nous les avons grattés avec du papier de verre. De plus pour qu’ils soient protégés nous avons collé par-dessus une feuille d’aluminium autocollant dont nous avions testé préalablement que la couche de colle n’était pas suffisante pour isoler le secteur de la feuille d’aluminium. A nouveau un problème était résolu.


    A ce jour cela n’a pas suffi à faire fonctionner la machine. En effet le problème des balais n’a été entièrement résolu que très récemment et il nous reste quelques détails à régler avant de la tester, en particulier à propos des condensateurs. Mais nous sommes confiants dans la réussite très rapide de notre projet. =)


MODELISATION PAR L’HOMME : LA MACHINE DE WIMSHURST


AVERTISSEMENT AU LECTEUR : Il faut admettre que le principe de la machine n’est pas si simple et si vous avez besoin de relire une deuxième fois cette partie n’en ayez pas honte De plus il est difficile à expliquer de manière claire et si vous préférez faire confiance à une autre source, nous n’en serons pas offensés. ;) (Bibliographie)


    L’idéal serait de disposer d’une machine et d’en expliquer le principe en se basant sur ce que l’on peut voir. Cela étant impossible, il est important de se servir de tous les schémas et de toutes les photos.


    Voici une première photo de la machine légendée qui permet de bien comprendre de quoi l’on parle et de mieux visualiser ce qui se passe.


    Le disque arrière est identique à celui-ci avec pour seule différence la position des balais. En effet ils forment un angle de 60° avec les balais du disque avant.


Si physiquement ce n’est pas le cas on considérera, par commodité pour l’explication, qu’il existe des charges négatives et positives.


    Pour commencer, décrivons le principe général de la machine ; il s’agit de deux disques qui tournent en sens contraires sur lesquels sont collés des secteurs métalliques. Les secteurs se chargent au niveau des balais, ces charges sont récoltées au niveau des peignes, l’un recueillant les charges positives et l’autre les charges négatives, celles-ci sont ensuite envoyées dans deux condensateurs, l’un positif et l’autre négatif. Lorsque les condensateurs sont « pleins » la différence de potentiel entraîne la formation d’un arc lumineux entre les deux éclateurs.


    Pour comprendre le principe, on peut suivre le trajet d’un secteur sur le disque avant lorsqu’il fait un tour. En effet il se déroule le même phénomène sur l’autre disque au signe prés.


    Pour démarrer, la machine doit charger certains de ses secteurs. Lorsque la machine n’a encore jamais fonctionné, il faut l’initialiser, c'est-à-dire charger certains secteurs. Il existe deux méthodes : soit en faisant tourner les deux disques, le frottement des balais alternativement sur les secteurs et sur le plexiglas entraîne la formation d’électricité statique sur le plexiglas chargeant ainsi les secteurs. On dit que la machine « s’auto-excite » soit on peut choisir d’amorcer soi-même la machine, à ce stade il est difficile d’expliquer comment amorcer la machine, et tenter de le comprendre ne rendrait les choses que plus confuses. Si la machine a déjà fonctionné, elle n’a pas besoin d’être réinitialisé, elle est déjà chargée. On admettra donc que les secteurs arrières situés entre le balai et le peigne négatif sont chargés négativement.


    On peut découper selon le schéma suivant un demi disque en plusieurs zones, à chacune d’elle correspond un situation donnée pour les secteurs.




    Ci dessous nous expliquons ce qui se déroule dans chaque zone. Voici une animation disponible sur une page dédié à la machine de Wimshurst et à son principe (cliquer ici). Le mieux pour bien comprendre est de revenir après chaque étape revoir l’animation.




   


Dans la zone 1, c'est-à-dire du peigne négatif jusqu’au balai avant, le secteur du disque avant que l’on considère, est électriquement neutre. En revanche, on admet que les secteurs du disque arrière sont chargés négativement. Les secteurs arrières étant chargés négativement, il apparaît par influence des charges positives et négatives sur le disque avant. Voici le schéma qui peut résumer l’étape 1




    Dans la zone 2, c'est-à-dire lors du passage du secteur avant au niveau du balai avant, l’influence a toujours lieu mais à ce moment précis le secteur est relié à la masse par le balai et le secteur est déchargé de ses charges négatifs. Il devient donc chargé positivement. Voilà un schéma qui correspond au phénomène :




    Dans la zone 3, l’influence a lieu dans les deux sens : les secteurs avants sont chargés positivement et les secteurs arrières négativement.




    Dans la zone 4, c'est-à-dire au niveau du balai arrière, les secteurs du disque arrière ne sont pas encore chargés mais sont reliés à la masse et les secteurs avants étant chargés positivement, il se produit par influence des charges négatives et positives, les charges positives étant évacuées par le balai, les secteurs arrières se retrouvent chargés négativement. Il s’agit du même phénomène que dans la zone 2 au signe prêt sur le disque arrière. :




    Dans la zone 5, du balai arrière jusqu’au peigne, les secteurs avants positifs entraînent par influence, la création de charges positives et négatives sur les secteurs arrières, il s’agit du même phénomène que dans la zone 1 au signe prêt sur le disque arrière.

   

    Au niveau de la zone 6, c'est-à-dire du peigne, les charges positives portées par les secteurs avants sont récoltées par le peigne et envoyées au condensateur, il s’agit donc du peigne et du condensateur positifs.





    A la sortie des peignes, les secteurs sont donc neutres. Si l’on continue le tour, on retrouve les mêmes étapes que précédemment au signe prêt: les secteurs se chargent négativement au niveau du balai avant par influence des secteurs du disque arrière chargé positivement, puis c’est au tour des secteurs avant de permettre aux secteurs arrières de se charger positivement au niveau du balai arrière et enfin les charges négatives sont collectées par les peignes négatives.


    Il se déroule exactement les mêmes phénomènes sur le disque arrière au signe prêt. Et comme les disques tournent en sens contraires on comprend que ce soit toujours le même peigne qui récolte le même type de charge. Voilà un schéma récapitulatif de la charge des secteurs en fonction de leur position sur le disque :





    Lorsque les charges sont collectées au niveau des peignes, elles sont envoyées dans les condensateurs. Ceux–ci n’ayant pas une capacité illimitée, il arrive un moment où les charges sont évacuées par les éclateurs. La différence de potentiel énorme entre les deux boules des éclateurs peut atteindre 100kv. Il se produit alors un phénomène similaire à celui des éclairs et l’on peut obtenir des arcs lumineux de 15cm.


  1. Compléments :


    Pour revenir à l’amorçage, cela consiste à présenter un bâton de plexiglas que l’on a électrisé par frottement à l’opposé d’un balai, ce qui revient à charger ce secteur négativement. Le secteur opposé à celui amorcé se charge alors positivement. La machine est initialisée et peut démarrer. Amorcer la machine permet de connaître la polarité de chaque peigne, c’est le seul intérêt de l’amorçage.


    On pourrait penser que la charge du secteur qui se crée au niveau du balai est la même que celle du secteur source d’influence. Mais le schéma ci-dessous démontre le contraire : en effet tous les secteurs opposés au balai et qui sont chargés exercent une influence principalement sur le secteur relié à la masse par le balai. Ainsi la charge du secteur qui se crée au niveau du balai est toujours supérieure à celle de chaque secteur opposé chargé. Si on poursuit le raisonnement on s’aperçoit que plus la machine tourne plus elle se charge rapidement.



    Sur l’animation, on peut voir que les deux condensateurs sont reliés à la masse. Ce n’est pas une obligation pour que la machine fonctionne mais cela permet d’augmenter la capacité des condensateurs. Les condensateurs sont en fait des bouteilles de Leyde composées d’un récipient isolant comme du verre, d’une feuille d’aluminium plaquée contre la paroi  intérieur qui forme l’armature interne et d’une feuille d’aluminium  plaquée sur la paroi extérieur qui constitue l’armature externe.


    Etudions les deux cas : tout d’abord si les deux condensateurs ne sont pas reliés à la terre. L’une des choses qui limite la capacité du condensateur est le fait que se créent des forces de répulsion entre l’armature interne chargée et l’armature externe neutre. C’est le cas sur le premier schéma.  Si l’on relie les condensateurs à la terre ou si l’on relie les condensateurs  entre eux, par influence l’armature externe du condensateur négatif se charge positivement et celle du condensateur positif se charge négativement par migration des charges positives et négatives. Les forces de répulsion sont ainsi inexistantes et la capacité du condensateur en est ainsi augmentée. Voici deux schémas disponibles sur le site du CNRS que nous ne pouvons reproduire mais qui facilitent beaucoup la compréhension de ce petit détail. (cliquez ici)


    On pourrait se demander si la machine marcherait sans condensateurs. Et bien la réponse est oui !! En effet dans ce cas les charges sont récupérés par les peignes et envoyés directement dans les éclateurs, ceux-ci n’étant pas fait pour stocker les charges, on aperçoit un arc électrique entre les deux boules mais beaucoup plus petit et en permanence. Pour plus d’informations regardez la video suivante sur le site du CNRS (cliquez ici)

 

La machine de Wimshurst est une machine dite électrostatique à influence. Elle fut créée en 1883 par James Wimshurst, un physicien anglais. Il est né en 1832 à Londres. Son père, Henry Wimshurst, s’occupait de construire des bateaux et son fils a suivi ses traces en entrant à une prestigieuse école navale de l’époque The Thames Iron Works. Il travailla ensuite toute sa vie en tant qu’ingénieur naval, s’occupant de grands chantiers navals. Il fut même le constructeur des navires du Board of Trade, un comité britannique chargé de promouvoir le commerce anglais.


    Mais il était passionné par la physique et l’électrostatique et il mena parallèlement à une vie de chercheur. C’est d’ailleurs dans ce domaine qu’il s’est illustré avec sa machine. Etant fasciné par les générateurs électrostatique, il reproduisait chez lui les générateurs des savants de l’époque tel que les ingénieurs anglais et français William Nicholson et F-P Carré en y ajoutant parfois des éléments pour les perfectionner. Mais c’est à la machine de l’allemand Holtz qu’il apporte le plus de modifications, créant ainsi la machine de Wimshurst. Cette machine est la plus célèbre des machines électrostatiques. C’est en effet la plus performante. Son fonctionnement n’est pas autant perturbé par les conditions atmosphériques et surtout elle ne nécessite pas d’apport d’énergie électrique pour fonctionner. Cette machine fut maintes fois reprises et améliorée. Elle est aussi utilisée dans les laboratoires pour réaliser des expériences électrostatiques.


    A propos de cette machine, en 1885, l’inventeur en construisit une avec des disques de 2,13m de diamètre. Il l’avait construite pour produire des éclairs de 76cm mais ne réussit à obtenir que des étincelles de 56cm ! Elle est actuellement exposée au musée de la science et de l’industrie à Chicago.


    Mais l’inventeur poursuivit ses recherches sur la machine et en bâtit une similaire qui était constituée non pas de deux mais de huit disques et après avoir démontré qu’il était possible de réfléchir et de disperser les rayons X, il trouva une application de sa machine en tant que générateur de rayons X qui fut utilisé par la médecine.


    Il mourut en 1903 à Londres.


    La machine de Wimshurst n’a certes pas été construite dans le but de recréer un éclair. Mais elle est une illustration flagrante de l’intérêt des hommes pour tous les phénomènes liés à l’électricité.