97
SUR L’ÉLECTROMÈTRE A QUADRANTS;
PAR M. GOUY.
1.
Objet
du iliéînoii-e. -D’après
la théoriegénéralement admise,
les forcesélectriques agissant
surl’aiguille
de l’électro- mètre àquadrants
se réduisent à uncouple
dont le moment estdonné,
à un facteur constantprès,
parl’expression
en
désignant
parVo, V ~
t et~T2
lespotentiels
del’aiguille
et desdeux
paires
dequadrants.
Il en résulte que lespetites
déviationsdoivent être elles-mêmes
proportionnelles
à cetteexpression,
ceque
l’expérience
confirme engénéral.
J’ai reconnu
cependant
que, dans un casparticulier
assez im-portant,
la formuleprécédente
se trouve entièrement endéfaut;
ce cas est celui de la
charg’e symétrique)
où lesquadrants
setrouvent maintenus à des
potentiels
assezélevés, égaux
en valeurabsolue,
et designes contraires, l’aiguille
étant reliée à la sourceà étudier. On réalise ces
conditions,
comme onsait,
en reliant les deuxpaires
dequadrants
aux deuxpôles
d’unepile
d’un assezgrand
nombred’éléments,
dont le milieu est mis à la terre.D’après
cequi précède,
la sensibilité devrait êtreproportionnelle
au nombre d’éléments de la
pile,
et en raison inverse ducouple
de la
suspension.
Onobserve,
aucontraire,
que la sensibilité estpresque
indépendante
de cecouple, lorsqu’il
estpetit,
et que, loin d’êtreproportionnelle
au nombre deséléments,
elle atteintun maximum pour un certain nombre
d’éléments,
et décroîtrapi-
dement
quand
ce nombre augmente.Ces
faits, remarqués
enessayant
de donner unegrande
sensi-bilité à
l’électromètre,
m’ont amené à faire une étudeparticulière
de cet instrument. J’ai fait usage de deux électromètres à qua-
drants,
du modèle de M.Mascart,
construits par M.Carpentier, qui
ne diffèrent que par la hauteur de la boîte formée par lesquadrants,
et d’un électromètre à secteursplans.
Commepile
deArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01888007009700
98
charge, j’ai employé
d’abord unepile
de 3oopetits
élémentsCallaud, puis,
afin de suivreplus
loin lesphénomènes,
unepile
de i o0o éléments au
bioxyde
de mercure valant1 Toit,
40(1 ).
2. Oscillations. - La
charge symétrique produit
une accélé-ration manifeste des oscillations de
l’aiguille,
fait en contradictionavec la théorie
généralement admise,
et dont l’étude nous occupera d’abord.Dans ces
expériences, l’aiguille
est reliée à la terre d"une ma-nière permanente. On la fait
osciller,
d’abord sous l’action de lasuspension seule,
lesquadrants
étant mis à la terre,puis
en leschargeant
au moyen d’un nombre croissant d’éléments. On compte un certain nombred’oscillaüons,
on réduit l’amortisse-ment le
plus possible,
ou on lesupprime
enremplaçant
la sus-pension
bifilaire par un filmétallique.
On trouve invariablement que la
charge symétrique produit
uneaccélération considérable.
Ainsi,
l’un des électromètres Mas-cart (2),
àvide,
a unepériode
d’oscillationsimple
de138,
avec uufil de
suspension
enplatine,
de omm, 02 dediamètre ;
avec 3oo élé-ments
Callaud,
lapériode
devient5%
2; elle se réduit à1 s, 3l~
avec~ o0o éléments au
bioxyde
de mercure.Voici une série
d’expériences
faites avec cet électromètre et lapile
de i o0oéléments ;
~2désigne
le nombre d’élémentsemployés,
et 0 la durée d’une oscillation
simple,
en secondes.(1 ) Ces éléments ne diffèrent de l’élément étalon à bioxyde de mercure décrit t ailleurs (Comptes rendus, 1887) que par leurs petites dimensions et par la sup-
pression du mercure, l’électrode positive étant simplement formée d’un fil de
platine.
(’-’ ) Modèle ordinaire, hauteur intérieure de la boite : gmm,2.
99 TABLEAU J.
On constate que la durée d’oscillation ne
dépend
pas de l’am-plitude,
pour depetites
oscillations. Lecouple qui
fait oscillerF aiguille
estproportionnel
à~,
dont les valeurs sont donnéesdans la troisième
colonne;
on voit que cecouple
varie de i à 100dans les limites des
expériences.
Il faut doncqu’il existe,
en mêmetemps
que lecouple directeur,
dû à lasuspension,
un autrecouple directeur,
1 dû aux forcesélectriques, qui
tend aussi à ra- menerl’aiguille
auzéro,
etqui agit proportionnellement
àl’angle d’écart;
nousl’appellerons couple
directeurélectrique.
Le mo-ment de ce
couple
estproportionnel à é2 - ei, ,
0 endésignant
parGo
la durée de l’oscillation àvide;
sa valeur est donnée par la qua- trième colonne.Le
couple
directeurélectrique
estindépendant
de lasuspension,
comme on
pouvait
leprévoir.
Ainsi le mêmeélectromètre,
avecun fil
plus
gros(omll1.,05),
a unepériode, à vide,
de3%i,
et, aveciooo
éléments,
de1 s, 25.
La valeur ducouple
directeurélectrique, d’après cela,
est de 0,537,
enemployant
les unitésprécédentes.
Avec une
suspension
formée d’un seul fil de cocon, lecouple
de la
suspension
est tout à faitnégligeable,
et lecoiiple électrique agit seul;
lapériode
estde 1 s, 37
avec 1 Óooéléments,
et la valeurdu
couple
de0,532. L’appareil
ainsidisposé
fournit une démons-tration très
simple
de l’existence duphénomène
que nous étudions.Le
couple
directeurélectrique
estproportionnel
au carré ditnoinbi’e d’éléinents de la
pile
dechai-ge.
-- Lacinquième
co-lonne du Tableau
précédent
donne lequotient
du moment de cecouple
parrt2,
et cettequantité
est constante, audegré d’ap- proximauion
que comporte la mesure de 0. Cette loi s’est trouvée confirmée par toutes lesexpériences,
et nous verronsplus
loinqu’elle
est d’accord avec la théorie.Il nous reste à examiner comment varie ce
couple
avec la dis-tance de
l’aiguille
auxquadrants.
Avec les électromètres ordi-naires, l’aiguille
étant au milieu de la boîte formée par les qua-drants,
cette distance est la moitié de la hauteur de la boîte. Dans l’électromètreauquel
serapportent
les résultats donnésplus
haut,cette hauteur est de
g~~,2 ;
elle est dez{~~8
dans un autre élec-tromètre,
d’ailleursidentique.
Les deuxappareils,
avec la mêmeaiguille suspendue
par un fil de cocon, donnent sensiblement la mêmepériode
d’oscillation(1 s, 37
eti%38)
avec 1o0o éléments.L’électromètre à secteurs
plans (’ )
permet de faire varier la distance dans des limitesplus
étendues :On
peut
conclure de ces diversesexpériences
que lecouple
directeur
électrique
varie en sens inverse de la distance del’aiguille
aux secteurs, mais que cette variation est peu sensiblequand
la distance estpetite.
En
résumé,
lacharge symétrique produit
uncouple,
propor- tionnel au carré de la différence depotentiel
desquadrants, qui
tend à ramener
l’aiguille
dans uneposition symétrique
par rap-port
auxquadrants ( ‘’ j.
L’existence de cecouple,
que ne faisait( 1 ) L’aiguille de ces électromètres est assez lourde, en forme due 8; celles des deux autres sont légères, de la forme figurée dans l’Ouvrage de M11Z. Mascart et
Joubert. Il ne paraît pas que la forme de l’aiguille joue un rôle très important
dans le phénomène, mais cette question mériterait une étude particulière.
( 2 ) En chargeant l’aiguille à de très hauts potentiels, le quadrant étant relié à
I0I
pas
prévoir
la théorieusuelle,
va nous rendre compte de la marche del’instrument, employé
comme électromètre.3. Déviations. - Avec la
charge symétrique,
la sensibilité de l’électromètre croît d’abordproportionnellement
au nombre d’élé-ments de la
pile
decharge, puis,
de moins en moinsvite,
passe par un maximum pour un certain nombred’éléments,
et décroîtensuite.
Ainsi,
avec l’électromètreauquel
se rapporte le TableauI,
on a une déviation de
46n"~
pour i daniell(l’échelle
étant à2ID),
avec une
pile
decharge
de 3o élémentsCallaud;
avec 60éléments,
la déviation est de
80mm;
le maximum est atteint vers 15o élé- ments, il est de106"~; puis,
avec les 3ooéléments,
la déviationse réduit à 80~.
Ces variations sont encore
plus
étendues avec lapile
de1000 éléments. Le Tableau suivant donne les
déviations,
pouri
daniell,
avec ce même électromètre muni de troissuspensions
différentes :
I,
un seul fil de cocon.II,
fil deplatine
deolllln,
02. ’III,
fil deplatine
deOmm, o4.
rz
désigne
le nombre d’élémen ts de lapile
decharge.
TABLEAU II.
la terre, la période d’oscillation est sensiblement la méme qu’à vide, quand l’appareil est bien réglé. En général, il y a une différence assez appréciable, soit
en plus, soit en moins. Ainsi, la période à vide étant de treize secondes, elle a varié, avec 1000 éléments, de onze à quinze secondes, suivant le réglage de l’ap- pareil ; avec une centaine d’éléments, ces différences sont insensibles.
Ces résultats sont
représentés
dans lafigure ci-dessous;
ii estporté
en abscisse et la déviation en ordonnée. Les droites ponc-tuées,
tangentes aux courbes II et III àl’origine, représentent
ladéviation que donne i daniell
lorsqu’on charge,
nonplus
les qua-dran ts,
maisl’aiguille,
avec la mêmepile
decharge.
Avec la
suspension 1,
dont lecouple
estnul,
la déviation est enraison inverse du nonlbre n des éléments de la
pile
decharge,
et la courbe
correspondante
est unehyperbole équilatère.
Ce résultat nous montre que le
couple qui
tend à dévier l’ai-guille
estproportionnel
à j2, conformément à la théorie usuelle de l’électromètre. Eneffet,
cecouple
étantéquilibré
par lecouple
directeur
électrique, qui agit
seul ici pour ramenerl’aiguille
auzéro,
etqui
estexprimé
parA n2,
A étant une constante, la dé-...
il’ n 1
viation sera
proportionnelle
à-2013; == .2013
A til- l nAvec les
suspensions
Il etIII,
les effets sontplus complexes.
Le
couple qui
tend à dévierl’aiguille
est évidemment le mêmeI03
que
précédemment,
mais lecouple
directeur est ici donné parl’expression A n2 -~- I~.
B étant le moment ducouple
de la sus-pension.
La déviation sera doncproportionnelle
à9_"D
Il en résulte que la déviation est
proportionnelle
à Il,quand
Ilest
petit; qu’elle
passe par un maximum pour , , etqu’elle
tend vers lalimite ~ j2, quand n s’accroît; c’est la valeur
n
quelle possédait
avec lasuspension
I. A ussi l’on voit que les courbes II et III sont asymptotes àl’h3Tperbole
I.On voit aussi que, A étant
indépendant
de lasuspension,
lavaleur de 11
qui produit
le maximum de sensibilité estproportion-
nelle à
V8. Ainsi,
avec unepile donnée,
le maximum ne seraobservable que
lorsque
lecouple
de lasuspension
serapetit,
c’est-à-dire
quand
l’instrument seraréglé
pour avoir unegrande
sensi-bilité;
dans le cascontraire,
parexemple
avec l’électromètre dis-posé
pour l’étude de l’électricitéatlnosphérique,
laportion
initialede la courbe sera seule
observable,
et l’instrument obéira sensi- blement à la formule usuelle.En
résumé,
avec lacharge symétrique,
lecouple qui
tend àdévier
l’aiguille
estproportionnel
à la difl’érence depotentiel
desquadrants,
commel’indiquait
lathéorie ;
mais lecouple
directeurélectrique,
dont elle ne tenait pas compte, modifiecomplètement
les
phénomènes, lorsque
lecouple
de lasuspension
n’est pasassez
grand
pour le rendrenégligeable.
3. Remarque
Sllrl’tcsccye
de l’électromètre. - Il résulte dece
qui précède
que lacharge symétrique
ne permet pas de donner à l’électromètre une trèsgrande sensibilité, puisque
cela ne pour- rait être obtenusqu’avec
unpetit
nombre d’éléments de lapile
decharge,
et, parsuite,
avec des forces troppetites
pour quel’ap- pareil
fût d’un bon usage. Mais la sensibilitéq u’ on peut
obtenirest bien suffisante pour la
plupart
desexpériences ( 2 ),
et nous--- ’
(1) On voit aisément que ce maximum est égal à la moitié de la déviation qui
existerait si le couple directement électrique n’agissait pas, avec le même nombre d’éléments.
(2) Cette sensibilité est environ deux fois plus grande avec l’électromètre dont la boîte a une hauteur de 4mm,8.
I04
allons voir que la
charge symétrique présente
certains avantages dans lapratique.
En
premier lieu,
onpeu t
rendre la sensibilité presqueindépen-
dante des variations de la
pile
decharge
en seplaçant
au voisi-nage du
maximum;
avec unesuspension
formée d’unfil métallique,
la sensibilité devient ainsi à peu
près
invariable.Mais on peut en tirer un meilleur
parti
ensuspendant l’aiguille
par un fil
métallique
très fin( omm, 02),
et rendant lecouple
direc-teur
électrique
asseznotable,
de telle sortequ’il agisse
presqueseul pour
diriger l’aiguille. L’expérience
montre que cecouple
directeur n’est pas
sujet
aux mêmesirrégularités
que les suspen-sions,
bifilaire ouunifilaire, irrégularités qui produisent
en ma-jeure partie
les variations du zéro de l’instrument et limitent laprécision
des mesures.Toutefois,
pour obtenir la fixité duzéro,
il estindispensable
que les deux moitiés de la
pile
soientégales,
ouprésentent
unedifférence très
petite
et constante, cequ’il
est très difficile deréaliser. En
effet,
avec unepile
de 200élément,
parexemple,
ilsuffit que l’une des moitiés de la
pile
varie seule deo~~lt,
02, c’est-à-dire de
o"1",
0002 parélémen t,
pour que le zéro sedéplace
d’unequantité correspondant
àovOlt,
01; or depareilles
variations ré- sultent presque inévitablement destrépidations
ou autres causesperturbatrices qui agissent inégalement
sur les deux moitiés de lapile.
On
peut
lever cette difficulté d’une manièrecomplète
en re-liant les
quadrants
aux deux extrémités d’unegrande
résistancemétallique,
traversée par un courant, et dont le milieu est relié à la terre. Lapile qui
fournit le courant doit êtreplacée
sur unpied
isolant. Je fais usage pourcela, depuis plusieurs années,
d’unepile
de 3oo élémentsCallaud,
de 30~~ de hauteur sur 2C’n dediamètre,
et d’une boîte de résistance de imégohm.
Le courantétant très
faible,
iln’y
a pas d’échauffement sensible desbobines,
et les
potentiels
aux deux extrémités de la boîte restent exactementégaux
en valeur absolue.Ce
dispositif,
à défaut desimplicité, présente l’avantage
dedonner au zéro de l’instrument une fixité
qu’on
nepourrait guère obtenir,
par d’autres moyens. Lesdéplacements,
dans le coursd’une séance
d’observations, dépassant
rarementquelques
dixièmesI05 de
millilnètre,
on peut aisément mesurerovolt, 001.
On peut en-ployer
avec avantage de l’huile au lieu d’acidesulfurique,
pour amortir les oscillations del’aiguille.
1. Théorie. -- Les
phénoinènes
décritsprécédemment
n’étanlpas d’accord avec la théorie
usuelle,
nous devons penser que les conditions que suppose cette théorie ne sont pas suffisammentréalisées,
et nous allons essayer de trai ter laquestion
à unpoint
de vue
plus général,
en nousappuyant
seulemen t sur des con-sidérations de
symétrie.
Nous admettrons que la forme de l’instru-ment est telle que tout est
symétrique
par rapport à un certainplan
vertical pour uneposition
déterminée del’aiguille, position
que nous
prendrons
pourzéro,
etqui, lorsque
l’instrument estbien
réglé, correspond
àl’équilibre
de lasuspension.
Supposons
d’abordl’aiguille
maintenue au zéro par une force extérieurequelconque.
Soient]B10, M, , 11Z2
lescharges
del’aiguille
et des deux
paires
dequadrants, Vo, V,, V2
leurspotentiels, Co, C,, G2
leurscapacités, ~, i2
les coefficients d’induction entrel’aiguille
et les deuxpaires
dequadrants, iq
le méme coefficiententre les deux
paires
dequadrants (’ ).
D’après
un théorème connu, on aet
l’énergie électrique
~V dusystème
seraFaisons maintenant, tourner
l’aiguille
â’unangle
trèspetit Õ,
lespotentiels
restant constants. Le travail ’1’produit
par les forcesélectriques
est donné parl’équation
. ( ~ ) Les autres conducteurs du système, tels que la cage de l’instrument, sont supposés en communication avec le sol, et il est inutile d’en tenir compte dans les formules qui suivent.
I06
en
désignant
paràco, ~G,,
... ,âiq
les variations des coefficientsCo, C1, ...., iq produites
par la rotation Ô. Ces variations sontassujetties
à certainesconditions,
en raison de lasymétrie
dusystème. ~Co
nedépend
pas dusigne
de1 ;
on pourra donc poser,en
négligeant
lespuissances
de ~supérieures
à ladeuxième
on aura de même
Quant
ààcj et âC2,
ilséchangent
leurs valeursquand ~ change
de
signe ;
on aura donc ,et de même
a.,
~,
y,~,,
u et v étant des coefficientscaractéristiques
del’ap- pareil.
Il vient donc
Si l’on pose
l’équation (3)
peut s’écrireCette
équaliore
nous montre que les forcesélectriques appliquées
à
l’aiguille peuvent
être réduites à deuxcouples agissant
simulta-nément :
i" Un
couple
dont le moment C estindépendant
deô ;
il tend àI07 dévier
l’aiguille
dans le sens des ~positifs,
siC >
o ; dans le sensc on traire si
C
o.2° Un
couple
dont le moment C’~change
designe
avec ô ets’annule
pour 8==o;
c’est lecouple
directeurélectrique
dontnous avons reconnu l’existence
expérimentalement.
Il tend à ra-mener
l’aiguille
auzéro,
dequelque
côtéqu’elle
s’enécarte,
sil’on a C~ o, et à l’écarter
toujours
duzéro,
si l’on aC~ ~>
o.Si
l’aiguille
avait de trèsgrandes dimensions,
comme le suppose la théorieusuelle,
il est aisé de voir que l’on auraitIl viendrait
donc,
dans ce cas,et
ce
qui
estl’expression
usuelle. C’est donc la limitation de l’ai-guille qui produit
dans le fonctionnement del’appareil les
effetsque nous étudions.
Examinons maintenant
quelques
casparticuliers,
en vue deconnaître le rôle des divers coefficients
qui
entrent dans les for-mules
(4).
Si l’on fait osciller
l’aiguille
en lachargeant
et mettant les qua- drants à la terre, il vient C == o, C’--a V~. L’aiguille
oscille sousl’action du
couple
C~ et de lasuspension. L’expérience
montreque C’ est peu différent de zéro
(1 ).
Onpouvait
leprévoir
enremarquant
que lacapacité (~o
del’aiguille
estindépendante
deÓ,
si l’instrument est bien construit et
réglé;
c’est-à-dire si la boîte formée par lesquadrants
est de révolution auto ur de l’axe de rota-tion de
l’aiguille,
les fentesqui séparent
lesquadrants
étanttrop petites
pour avoir un effetsensible;
on doit donc avoir sensible-ment
(1 ) Page ioo, en note.
I08
Il en serait évidemment de même si l’on faisait
Vo = o, V,
=V2 ;
on doit donc avoirsensiblement,
sous les mêmes con-ditions,
Il en serait encore de même pour
V 0 == V t === V 2;
on a doncsensiblement
Remarquons
enfin quel’équilibre
del’aiguille
nedépend
que des différences despotentiels Vo, V~ et V2,
et non de leurs valeursabsolues,
pourvu quel’aiguille
soit efficacementprotégée
par la boîte formée par lesquadrants (’ ) ;
on doit donc avoir G = o pourV
Vi T V2 , et par- -
Vo
==2
et par suite’
En tenant
compte
de ces remarques, on obtient lesexpressions
très
approchées
L’expression
de C est celle que donne la théorie usuelle.Oscillations avec la
clzarge symétrique. - L’aiguille
étantmise à la terre, on a e t, par
suite,
ou sensiblement
Le
couple
directeurélectrique
C’ estproportionnel
au carré dela différence de
potentiel
desquadrants,
comme l’a montré l’ex-périence.
Bienque ~,
soit sans doute fortpetit
en valeurabsolue,
ce
couple peut
devenir très notable siV 1
est trèsgrand.
( ~ ) Ou bien assez éloignée de la cage de l’instrument pour que celle-ci n’ait pas cl’effet appréciable.
I09
Déviation. - En
désignant,
commeprécédemment,
par B lecouple
de lasuspension,
le moment ducouple qui
tend à ramenerl’aiguille
au zéro est(B - C’ ) ~ (’ ~;
lecouple
C tend à l’enécarter;
par
suite, l’équation d’équilibre
seraAvec la
charge symétrique,
cetteexpression devient,
ennégligeant
le terme
0 qui
est ici tout à faitinsensible, Vo
n’étant pastrès
grand,
~¥ ~¥ou sensiblement
expression
de même forme que celle que nous avait donnéel’expé-
rience.
Avec la
charge
del’aiguille, l’équation (6)
nepeut
pas êtresimplifiée
dans le casgénéral. Mais,
si lespotentiels
desquadrants
ne sont pas très
différentes,
C’ sera trèspetit,
et, dansl’hypothèse contraire,
B est nécessairement trèsgrand,
de telle sorte que la formule usuelle seraapplicable.
En reliant
l’aiguille
à un desquadrants,
et mettant l’autre à la terre, suivant la méthode de M.Joubert,
on auraet par suite
il est facile de voir que le terme de
~~V2 0
serainsensible,
pour les mêmes raisons.En
résumé,
avec un instrument bienconstruit,
deux coefficientsseulement, y
etÀ,
sont nécessaires à connaître pour calculer les effets del’appareil.
Lepremier
est donné par la théorieusuelle;
le
second, qui joue
un rôle essentiel dans lacharge symétrique, paraît
au contraire fort difficile àcalculer,
mais on peut aisémen t les déterminer tous deux parl’expérience.
(’ ) On se souvient que C‘ ~ o quand le couple directeur électrique tend à ra-
mener l’aiguille au zéro.