Présentation
Auteur(s)
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Georges FRICK : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur ès Sciences - Ingénieur au Centre de Recherches Nucléaires de Strasbourg
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La machine électrostatique est ainsi nommée parce qu’elle fait appel aux lois de l’électrostatique à la différence d’autres machines dites électromagnétiques. Bien que des moteurs électrostatiques aient été imaginés, ils n’ont pas eu de succès ; par contre, en tant que générateurs de très haute tension (
0,3 MV), les machines électrostatiques connaissent leur principale application dans le domaine des accélérateurs d’ions ou d’électrons. Cet article porte essentiellement sur ce dernier sujet.
Après quelques considérations générales 1, nous étudierons, d’abord, les grandeurs et paramètres usuels d’un système électrostatique 2. Nous verrons, ensuite, la forme générale que prend un tel système 3, forme principalement déterminée par sa fonction, pour en arriver au dimensionnement 4. Celui-ci est dû à des contraintes physiques comme celles attribuées à l’isolation dans le gaz, qui détermine la géométrie des électrodes conductrices. Le dimensionnement est aussi lié aux propriétés des isolants de structure dans le gaz et dans le vide. Enfin, nous étudierons le système de charge 5, partie essentielle d’une machine électrostatique (le paragraphe 5.3 est repris du texte original rédigé par Noël J. Félici), et le tube accélérateur 6 qui entraîne d’autres problèmes.
Avant d’en donner une description complète 7, nous illustrerons les différents paragraphes par le Vivitron. Nous présenterons également d’autres appareils utilisés couramment 7. Enfin nous parlerons des applications de ces appareils 8 [1] [84] [85] [86].
Le lecteur pourra utilement se reporter, dans ce traité, aux articles Électricité statique. Principes. Problèmes. Applications [87] et Électromagnétisme. Différents aspects [88].
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Grandeurs et paramètres usuels dans les machines électrostatiques1. Considérations générales
L’électrostatique, qui, dans un cours d’électricité, est souvent le premier chapitre abordé, semble assez simple dans sa présentation et dans son développement. En effet, on y postule qu’il existe des charges électriques dans des positions fixes, c’est-à-dire qu’il y a absence de courant électrique, et l’on étudie les forces pouvant apparaître entre ces charges. On y introduit un formalisme : on définit le champ, le potentiel et encore d’autres notions. On dit ce que sont un corps conducteur, où il peut y avoir des charges, et un corps isolant ou diélectrique, où il n’y en aurait pas.
Dans la réalité, c’est-à-dire dans le domaine du physicien et de l’ingénieur, on remarque que les phénomènes qualifiés d’électrostatiques ne présentent pas le caractère de simplicité et de pureté qu’il a dans les cours d’électricité.
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Au cours de l’histoire des sciences, les phénomènes électrostatiques ont été étudiés en premier, et la loi de Coulomb, qui évalue les forces entre charges, a beaucoup satisfait les esprits de l’époque pour sa similitude avec la loi de l’attraction universelle de Newton.
Les premiers physiciens électriciens ont étudié la foudre ou construit des machines qui faisaient des étincelles. Ainsi, ils ont pu observer le phénomène de libération de charges électriques, au cours duquel des courants apparaissent, mais, alors, on ne se trouve plus dans l’électrostatique au sens pur du mot. Nous savons, aujourd’hui, que les charges électriques, bien que liées, sont présentes en surabondance dans la matière. La physique des gaz et des matériaux dit qu’il suffit de peu d’énergie pour les libérer et l’on se rend compte que 1 µA, c’est-à-dire 6 · 1012 électrons par seconde, est un nombre dérisoire par rapport au nombre d’électrons présents dans la matière environnante. On sait aussi que tous les isolants sont un peu conducteurs.
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Le vide pourrait être un espace idéal pour l’électrostatique. Malheureusement, il est loin d’être parfait et le gaz résiduel contient encore des charges électriques qui jouent un rôle ; il en est de même pour les nombreuses charges électriques dans le matériau de l’enceinte à vide. En outre, on sent bien que les charges électriques...
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