William Thomson (1824-1907), plus connu sous le nom de Lord Kelvin, est un physicien britannique surtout réputé pour ses travaux dans le domaine de la thermodynamique (il a notamment introduit la notion de « zéro absolu »). Ce que l’on sait moins, c’est qu’il a inventé beaucoup d’instruments, dont plusieurs types d’électromètres ainsi qu’une pile hydroélectrique ou un galvanomètre miroir. Le plus connu des électromètres introduits par Lord Kelvin est celui qui nous intéresse, l’électromètre à quadrants, créé en 1872. On retrouve aussi parmi ses inventions l’électromètre absolu, portatif, à longue échelle ou encore à pointe.

Lord Kelvin, de son vrai nom William Thomson.

L’électromètre à quadrants est un appareil de mesure électrostatique qui permet de mesurer des tensions et mettre en évidence la charge électrique d’un corps, sans consommer de courant. Une aiguille métallique en forme de papillon est suspendue au centre des quatre quadrants se situant à l’intérieur de l’appareil et sur lesquels on applique la différence de potentiel à mesurer. L’aiguille subit alors un couple électrostatique et va se mettre en mouvement. Un petit miroir associé à l’aiguille réfléchit un faisceau lumineux incident ; le faisceau est renvoyé sur une règle de mesure, ce qui permet de mettre en évidence la rotation de l’aiguille. Il est ainsi possible de déterminer la tension qui traverse le circuit. Cet appareil a notamment été utilisé par Pierre est Marie Curie dans leurs recherches concernant la radioactivité.

On sait aujourd’hui que l’électromètre à quadrants a existé en plusieurs versions. Il semble cependant que celle de Lord Kelvin, la première de toutes, ait été la plus élaborée. À présent démodés et fragiles d’utilisation, les électromètres ne sont plus utilisés par les étudiants. Les trois autres types d’électromètres mentionnés ont été choisis en raison de leur apparition fréquente au cours de nos recherches. On retrouve donc également l’électromètre à quadrants dit de Mascart (au nom du physicien français Eleuthère Mascart, 1837-1908), composé d’une pièce mobile (« aiguille » ayant la forme de deux quarts de cercles opposés) suspendue dans ce qui forme une boîte, elle-même constituée de quatre quadrants qui forment deux paires isolées l’une de l’autre. La partie inférieure de l’aiguille est reliée à un fil de platine sur lequel on retrouve un petit miroir et trempe dans une solution d’acide sulfurique, tandis que la partie supérieure est soutenue par un double fil de coton. L’aiguille est reliée à un circuit extérieur par un fil isolé qui plonge dans la solution d’acide sulfurique. Le tout est placé dans un coffre métallique généralement relié au sol par trois vis calantes.

Electromètre de Mascart.

Un autre modèle souvent recensé est l’électromètre à quadrants de Branly (en référence à Edouard Branly, physicien et médecin français, 1844-1940). On y retrouve les quatre quadrants formant deux paires, ainsi que la lame (ici en aluminium) qui joue le rôle de l’aiguille en forme de 8 se déplaçant horizontalement à l’intérieur des quadrants. Le petit miroir est fixé sur un fil dans le prolongement de l’aiguille. Pour permettre l’amortissement du mouvement de l’aiguille (et donc permettre des mesures plus précises), la tige soutenant le miroir est prolongée par une tige en verre munie de platine, le tout trempant dans de l’acide sulfurique. La différence notable est la structure de l’appareil : les quadrants et l’aiguille de torsion sont placés dans une boîte transparente munie de vis pour permettre sa stabilité, et surmontée d’un tube en verre dont l’axe coïncide avec le centre des quadrants et le fil de torsion, qui y est accroché à l’aide d’une pince. Grâce à celle-ci, il est possible de régler très légèrement la hauteur de l’aiguille.

Electromètre à quadrants de Branly.

Enfin, le dernier électromètre qui sera mentionné dans ce billet est l’électromètre à quadrants dit de Chassagny (du nom de Michel Chassagny, professeur français agrégé en sciences physiques, 1865-1918). Il comporte lui aussi l’aiguille en aluminium, suspendue dans la « boîte » que forment les quatre quadrants, qui sont supportés par un plateau. Ce modèle est bifilaire, ce qui signifie que l’aiguille est suspendue à un double fil de torsion, qui se prolonge en-dessous de l’aiguille par un miroir beaucoup plus grand que dans les autres versions. A ce miroir est attaché un fil de platine, qui trempe dans l’acide sulfurique ou l’huile. L’ensemble du montage est installé dans une boite en bois, surmontée d’un petit tambour qui permet de faire tourner l’aiguille, et non d’un tube comme pour les autres modèles. Le fond de la boîte est muni de vis réglables qui assurent la stabilité de l’appareil. Pour relier l’aiguille à un circuit, un fil extérieur doit être relié au fil de torsion.

Electromètre à quadrants de Chassagny.

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Ce billet fait partie du dossier "Le Mystère de l'électromètre à quadrant"