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Galvanomètre à aimant mobile de Ruhmkorff
GALVANOMETRE
A AIMANTS MOBILES DE LORD KELVIN ET BOBINES AMOVIBLES DANS LEUR BOITE
GALVANOMETRE
A CADRE MOBILE DEPREZ - D'ARSONVAL
GALVANOMETRE
A CADRE MOBILE ET A SHUNT
MAGNETIQUE
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OBJET : eld 5 - 1
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Détection d'
un courant, d'une tension ou d'une force électromotrice faibles.
Une bobine fixe peut être parcourue par le courant à détecter, d'intensité i ; Elle produit un champ magnétique B = Giu, où u est un vecteur de norme 1 parallèle à l'axe de la bobine. A l'intérieur de le bobine on place un aimant formé d'aiguilles à coudre aimantées de 5 à 6 cm de long, de moment magnétique m, fixé à une tige suspendue à un fil de torsion.
Mais il faut
tenir compte du champ magnétique terrestre B'
qui exerce sur m un couple m
B’. Nobili eut alors l'idée d'introduire un second aimant de
moment magnétique m' = - m,
extérieurement à la bobine (donc soumis au seul champ terrestre
B') et fixé sur la même tige que le premier aimant. Les deux aimants
forment un équipage astatique.
L'équipage est alors soumis à la somme des couples électromagnétiques exercés sur m et m'
m
(B + B') +
m'
B' = m
B
Comme il est difficile de réaliser exactement
la condition m' = - m,
le physicien italien Melloni a proposé d'ajouter au galvanomètre de Nobili
un aimant compensateur produisant dans la région des aiguilles un champ magnétique
B'' sensiblement opposé à
B' (B'+ B'')
0).
Plus tard, William Thomson (Lord Kelvin) reprendra ces idées mais utilisera un système de quatre bobines créant des couples magnétiques de même sens sur m et m' (voir « eld 5 - 3 »).
Léopoldo Nobili, physicien italien (1787-1835) créa le galvanomètre astatique en 1826 ; Il inventa aussi la pile thermoélectrique sensible au rayonnement infrarouge ; Macédonio Melloni physicien italien (1798-1854) améliora ces deux inventions.
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Détection et mesure de l'intensité d'un courant
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Un barreau aimanté (de moment magnétique M),
d'axe horizontal, peut tourner à l'intérieur d'une bobine dans laquelle on
fait passer le courant à détecter (ou à mesurer). Un miroir (plan) solidaire
de l'aimant, situé au dessus de la bobine et protégé des courants d'air par
une cage avant vitrée, permet de suivre à l'aide d'un faisceau lumineux, la
rotation
α
Supposons que, pour un courant d'intensité
nulle, l'aimant soit perpendiculaire à l'axe de la bobine avec une torsion
nulle. On posera
α
M ( Ki cosα - Bt sin α ) = k α
Si Bt peut
être négligé, si α
M Ki cosα
= k α
α
Dans le galvanomètre de Thomson (objet « eld 5 - 3 »), l'emploi d'un équipage astatique et d'un aimant compensateur (qui crée un champ sensiblement opposé à Bt) permet d'éliminer l'influence de tout champ magnétique autre que celui qui est dû au courant.
Ruhmkorff (Henrich Daniel 1803-1877), mécanicien et électricien allemand est venu travailler à Paris chez des fabricants d'instruments de précision. Il fonda plus tard à Paris sa propre maison et construisit des instruments électromagnétiques, des galvanomètres, des bobines d'induction (qui portent son nom). Lord kelvin (sir William Thomson (18241907) perfectionna le galvanomètre à aimant mobile (voir plus haut).
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OBJETS : eld 5 - 3 et eld 5 - 4
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L' armature mobile se compose de deux aimants fixés sur une tige T qui porte aussi en son milieu un petit miroir M et une lamelle de mica (pour amortir les oscillations). L'armature mobile est suspendue à un fil de torsion mis en position verticale à l'aide des vis calantes du support.
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L'ensemble des deux aimants forme, autant qu'il est possible, un système
astatique, c'est à dire qu'il est insensible à un champ magnétique extérieur
uniforme tel que le champ magnétique terrestre.
Par contre, chacun des deux aimants est, indépendamment,
soumis à un champ magnétique uniforme crée par deux paires de bobines b1,b'1
parcourues par une première intensité I pour le premier aimant, et b2,b'2
parcourues par le même courant I (mais
en sens inverse) pour le second aimant. Il en résulte des couples de même sens
dont la somme appliquée à l'équipage mobile provoque une rotation
repérée optiquement par le déplacement
de l'image L' d'un filament
incandescent L, sur la réglette translucide R. La rotation
est sensiblement proportionnelle à
l'intensité I. Les bobines peuvent être changées : pour cela b1
et b2
sont associées par un même support, avec une ouverture entre les bobines pour
laisser passer les faisceaux lumineux. De même pour b'1 et b'2.
Les couples b1 et b2
d'une part, b'1 et b'2,
peuvent être mis en place et fixés par vis sur la boîte du galvanomètre.
Comme l'ensemble des deux aimants n'est jamais parfaitement astatique, on réduit le couple dû au champ magnétique d’origine externe (champ magnétique terrestre) en opposant au champ magnétique extérieur le champ d'un aimant compensateur situé au dessus de l'appareil, pouvant glisser et tourner au dessus d'une tige verticale fixée à la boîte qui contient le galvanomètre. La plus petite intensité détectable est de l'ordre du picoampère.
Lorsque l'on veut détecter une force électromotrice très faible, le maximum de sensibilité du galvanomètre est obtenu quand sa résistance est égale à celle du reste du circuit. C'est ce qui justifie l'utilisation de bobines interchangeables (de même volume) contenues dans la boite « eld 5 - 4 ».
Lord Kelvin (sir William Thomson 1824-1907), physicien anglais s’est illustré dans de nombreux domaines de la physique (voir notice « est 1 - 4 »)
L'équipage astatique a été introduit antérieurement par Nobili (1784-1835). Voir Galvanomètre de Nobili.
L'aimant compensateur a été ajouté au galvanomètre de Nobili par Melloni (1798-1854).
Thomson (Sir William 1824-1907) fut anobli en 1892 et devint Lord Kelvin (nom d'une petite rivière qui serpente au pied de l'Université de Glasgow où il enseigna). Il créa, perfectionna et industrialisa de multiples appareils. En thermodynamique, après avoir lu « La puissance motrice du feu » de Carnot, il fit un énoncé du deuxième « principe », il conçut l'existence du « zéro absolu » et découvrit le phénomène thermoélectrique connu sous le nom d'effet « Thomson ». On lui doit l'utilisation de câbles sous-marins pour la transmission des signaux Morse. Lors de son jubilé en 1896, ses amis lui adressèrent un télégramme de félicitations de Glasgow à Glasgow via Terre-Neuve, Chicago, San Francisco, Los Angelès, La Nouvelle Orléans et Washington. Le message mit sept minutes pour faire ce périple. Lord Kelvin fit de nombreux travaux dans divers domaines (électricité, magnétisme etc...) qu'il serait trop long de décrire ici.
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OBJET : eld 5 - 5
Mesure d'intensités.
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Une bobine fixe, à spires rectangulaires horizontales, crée
un champ magnétique vertical (sur l'axe) lorsqu'elle est parcourue par
le courant à mesurer. Des lames de fer sont fixées sur un axe mobile
horizontal ; leurs moments magnétiques induits sont horizontaux au repos (à courant nul). Cet équipage mobile est soumis à
un couple électromagnétique lorsque passe un courant ; il entraîne par
sa rotation une aiguille qui se meut, dans un plan vertical devant un cadran. Le
couple de rappel est dû au champ magnétique horizontal d’un aimant en U. Cet
aimant dont il reste une fixation a disparu. Le couple électromagnétique est
difficilement calculable, aussi l'appareil
doit-il être étalonné.
L'appareil porte sur le socle deux plaques. Sur l'une on peut lire : « Galvanomètre Deprez Breveté sdg ». L'autre plaque porte la mention : « Ateliers Ruhmkorff ; Carpentier Ingénieur constructeur ». Or Jules Carpentier ingénieur, sorti de Polytechnique, vécut de 1843 à 1918 ; il acquit en effet la succession de Ruhmkorff (1803-1877), mécanicien et électricien qui s'était établi à Paris et construisit des appareils électromagnétiques dont la bobine qui porte son nom (voir la notice « eld 4 - 7 »). Carpentier a construit de nombreux appareils de mesures de précision, les premiers périscopes et, pour les Frères Lumière, les premières caméras cinématographiques. Avant de prendre la succession de Ruhmkorff il fut ingénieur à la société de chemins de fer « Paris - Lyon - Méditerranée » (PLM) membre du bureau des longitudes. J. Carpentier a été élu membre libre de l'Académie des Sciences en 1907.
La figure, aimablement fournie par M. J Le Breton, expert, est extraite d’un vieux catalogue de « Ancienne maison Fontaine-Billault successeur ». On y voit l’aimant disparu.
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OBJET : eld 5 - 6
Détection d'une faible intensité de courant (ou d'une faible force électromotrice).
La sensibilité de l'appareil est la qualité recherchée.
Le cadre mobile est constitué par la superposition de n enroulements de formes rectangulaires (largeur l,
hauteur h) d'un fil conducteur (cuivre) de section s, de résistivité
. Un fil fin supérieur et un fil fin inférieur, à la fois élastiques et
conducteurs ont pour rôles :
de supporter le poids du cadre et de lui fournir un axe de rotation vertical ;
de fournir un couple de torsion : si,
partant d'une position de repos à courant nul, le cadre tourne d'un angle
, les fils de torsion exercent sur le cadre un couple (dit "de
rappel") - k
(k est la constante de torsion).
d'assurer une liaison électrique en reliant les deux extrémités du fil constituant le cadre, à une source extérieure par l'intermédiaire de deux bornes.
Un petit miroir concave fixé sur le cadre permet l'observation (par la méthode
de Poggendorf) de la rotation
du cadre.
Le cadre est placé dans l'entrefer d'un gros aimant en U. Un cylindre de fer doux (creux) dont l'axe coîncide avec
l'axe de rotation du cadre, canalise les lignes de champ magnétique de telle
sorte que les seuls conducteurs verticaux du cadre soient soumis à un champ
radial, d'intensité constante B, pour une assez large variation de
(de part et d'autre de
= 0) . Cela résulte de la propriété
des lignes de champ magnétique d'être, dans l'air, normales à la surface du
fer doux dont elles sortent ou dans lequel elles rentrent.
Posons
; c'est une constante d'appareil qui a la dimension d'un flux. On démontre
facilement que, pour une intensité i de courant qui parcourt le cadre, le couple électromagnétique
appliqué au cadre a pour expression :
A l'équilibre le cadre a tourné d'un angle :
D'où la sensibilité :
La diminution de k (pour accroître la sensibilité) est limitée par le poids du cadre. Celui-ci est fixé par les dimensions que l'on donne au cadre, lesquelles sont limitées par les dimensions de l'entrefer (un accroissement de l'entrefer diminuerait B). La seule liberté qui reste est le choix du nombre n avec ns imposé :
On utilisera donc soit du fil fin pour n grand, soit du fil de plus grosse section pour n faible. Le choix de n revient au choix de la résistance Rg du cadre (pratiquement la résistance du galvanomètre). D'où cette autre constante d'appareil :
(proportionnelle à n2).
Le galvanomètre est souvent utilisé pour détecter une force électromotrice e dans un dipôle de résistance extérieure Re ; la qualité à prendre en considération est la sensibilité
. On montre que celle-ci est maximale pour Rg = Re d'où le choix de n (donc de s) . Par exemple, si le circuit extérieur est de faible résistance, cas du thermocouple, il doit en être de même pour Rg. Le cadre d'un galvanomètre pour thermocouple ne comportera que peu de boucles (à la limite : n =1) .
De moindre sensibilité que le galvanomètre de Thomson le galvanomètre à cadre mobile est d'un emploi plus facile, et ses oscillations sont facilement amorties par suite de la force électromotrice d'induction
qui apparaît dans le cadre en mouvement.
Deprez Marcel (1843-1918) physicien et mathématicien français invente en 1882 avec d'Arsonval le galvanomètre décrit ci-dessus. Il a fait des études sur le champ magnétique des machines dynamoélectriques et sur le rôle du noyau de fer doux.
A présenté à Munich avec le docteur Cornélius Hertz une expérience de transport d'énergie électrique à distance.
D'Arsonval Arsène (1851-1940) fut préparateur de Claude Bernard. Docteur en médecine, directeur du laboratoire de physique biologique au Collège de France en 1894, entre à l'académie de médecine en 1888, à l'académie des sciences en 1894.
Travaux : galvanomètre apériodique, téléphone, bec à gaz multiple, études des muscles, de l'élasticité pulmonaire, de la chaleur animale, de l'équivalent mécanique de la Calorie (J), de l'action biologique des courants haute fréquence (Darsonvalisation) etc....
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OBJETS : eld 5 - 7 a, b, c
(et galvanomètres balistiques)
Détection d'une faible intensité ou d'une faible force électromotrice.
Se reporter à la fiche sur le galvanomètre Deprez-d'Arsonval (« eld 5 - 6 »).
Objet « eld 5 - 7 a » : Ce galvanomètre ne diffère du galvanomètre « eld 5 - 6 » que par un perfectionnement de l'entrefer permettant un champ magn2tique radial de meilleure qualité, comme le montre la figure.
Objet « eld 5 - 7 b » : Version plus moderne du galvanomètre Deprez-d'Arsonval,cet appareil n'est plus sous cloche de verre mais dans un boitier ; il n'est plus placé sur une table mais accroché au mur. Le fil de torsion est parfois remplacé par un « ruban de torsion » (plus faible valeur de la constante de torsion pour une même résistance à la rupture ).
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Objet « eld 5 - 7 c » :
Galvanomètre utilisable comme « galva-balistique ».
Lorsque le courant d'intensité i(t),
variable, qui traverse le cadre, initialement nul, s'établit à l'instant 0 et
s'éteint à l’instant t
pour rester nul ensuite, le cadre a été traversé par la quantité d'électricité
Si la durée de passage est très
inférieure à la « période propre »
T des oscillations mécaniques libres (sans frottement et sans courant) du
cadre, celui-ci est « lancé »
et l’angle de rotation a
atteint une valeur maximale
, (a
reprend la valeur zéro de façon amortie ou périodique amortie). On démontre
que
est proportionnel à la quantité
d'électricité q. Un galvanomètre
balistique est donc un galvanomètre de grande période propre. Sur l'appareil
« eld 5 - 7 c », on remarquera les tiges t1 et t2
solidaires du cadre et terminées par les anneaux
a1 et a2 sur lesquels on peut poser deux billes b1
et b2
de même masse m ; le
moment d'inertie I du cadre s'accroit
alors de 2md2 en première
approximation, d étant la distance
d'une bille à l'axe de rotation). La période
propre du cadre passe alors de la valeur
à la valeur
Remarques : On peut accroitre T de façon moins barbare en plaçant un condensateur aux bornes du galvanomètre.
Le coefficient de proportionnalité de
à q
est déterminé à l'aide d'une charge
fournie par un condensateur de
capacité C chargé sous la tension U.
Les
appareils de marque « Chauvin Arnoux » ont été acquis en 1924.
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OBJET : eld 5 - 8
(de marque A.O.I.P.)
La même que pour tout galvanomètre à cadre mobile, mais la réduction de sensibilité se fait par un procédé différent du shunt résistif, en dérivant une partie du flux magnétique qui traverse le cadre.
1. Le shunt résistif.
Lorsque
le courant I débité par la portion de circuit extérieure de résistance Re
est supérieur à la valeur maximale de l’intensité i qui traverse le galvanomètre (de résistance interne Rg),
on place habituellement en dérivation aux bornes du galvanomètre un shunt résistif
de résistance Rs. La déviation
est
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La sensibilité a été divisée par
avec, souvent (Rs
<< Rg). Mais, l’amortissement des oscillations du cadre dépend
de la résistance équivalente au circuit extérieur (Re) et au shunt
(Rs) soit :
peu différente de Rs .Lorsque
celle-ci est faible, ce qui est presque toujours le cas, le galvanomètre est
beaucoup trop amorti : l’atteinte de la position d’équilibre est
beaucoup trop lente.
1. Le shunt magnétique.
Reprenons
la relation (voir la notice relative au galvanomètre de « Deprez
d’Arsonval »
.
On
peut réduire la sensibilité
sans modifier l’amortissement, en
diminuant B. Pour cela on approche une pièce de fer doux de l’entrefer, ce
qui dérive une partie du flux magnétique dans cette pièce de fer doux. On règle
le flux dérivé en modifiant la distance de la pièce de fer doux à
l’aimant.
Cet appareil est beaucoup plus récent que la plupart de ceux qui sont présentés dans le musée. il a été acquis par le lycée Louis le Grand postérieurement à 1960. Mais à ce que nous croyons savoir, ce type d’appareil n’a pas eu le succès prévu, il n’est plus fabriqué et de ce fait devient une pièce de musée.
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OBJET : eld 5 - 9 &nb
