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Submitted on 1 Jan 1889
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Expériences de M. Hertz sur les ondulations électriques
J. Joubert
To cite this version:
J. Joubert. Expériences de M. Hertz sur les ondulations électriques. J. Phys. Theor. Appl., 1889, 8
(1), pp.116-126. �10.1051/jphystap:018890080011601�. �jpa-00238932�
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leurs, comme ceux des ~~-. 2 bis et 3, tournés d’un angle droit) correspon- dent à un retard.
En r ésumé, le réglag’e apériodique offre l’avantage :
1 ° De ne pas dérégler l’appareil pour le synchroniser, comme l’exigent certains systèmes;
2° D’éviter tout régime période pour l’amplitude et la phase; J
3° De réduire au minimum, sinon à zéro, l’inf1uence des per- turbations les plus ordinaires;
4° De fournir un contrôle incessant ’du réglage et un moyen
simple pour le rétablir s’il vient à varier.
EXPÉRIENCES DE M. HERTZ SUR LES ONDULATIONS ÉLECTRIQUES (1);
PAR M. J. JOUBERT.
Maxwell développant, les idées de Faraday sur le rôle du milieu
diélectrique dans la transmission des actions électriques, est arrivé
à cette conclusion clu’un ébranlement électrique doit se propager dans l’air avec une vitesse égale au rapport qui existe entre l’unité électromagnétique et l’unité électrostatique de quantité. L’expé-
rience donnant pour ce nombre la vitesse même de la lumière,
on est amené à penser que les actions électriques et la lumière
non seulernent sont propagées par le même milieux, mais encore quelles résultent de modifications de même espèce de ce milieu.
La vérification expérlnlcntale de ces conséquences serait de la
--- --- -- -- --- --~ -
(’ ) II. HERTZ, l/eber selzr schnelle electrische Sclzc~c~Znb zcnyejz (~’Ijzzz. Ivied.,
t. XXXI, p. 42i-14JS, mai 188¡).
-
¿Teber die Einwir/lung einer geradlinigen Schrvingung auf eine benccclz- bczrte Strozzzbctlzzz { I-~ zzr~. JVied., t. XXXIl~T, p. i55-i7o; mars 1888).
-
Ueber fndllctionserscheinungen, Izervor~~erufer~ durcit die electi-ische Vol,-
gange izz Isolatore3a (r1nn. TVzed., t. XXXIV, p. 4 ; â-~86 ; a vril 1 1888).
-
I~éber ~dZe ~usbi°eztungs~esclatr~irzcli~~hezt der ele,~~t1’OCl~rn~~~3zzsclaerz TVir- kllngen { ~It72. llied., t. XXXIV, p. 55i-57o; mai W88 ).
-
Ueber elehtrodynalnische WelleJa inz Luftnaunze und deren Ite,fLexion { ~t2fz. Wied., t. X~~IV, p. 6°9-620; mai i ~B~S ).
-
Die f(réifte elektrischer Schwingungen, behaiîdelt nrzch de~~ ~’tlczxweZl’- sclzen Theorie (Ann. lvied., t. XXX‘’I, p. z-2z ; décembre ~ 1888).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018890080011601
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plus haute importance. La véritable démonstration doit consister à montrer que des ébranlements électriques de nature vibratoire
tels que ceux qui peuvent résulter de courants alternatifs, don-
nent naissance à des ondes capables d’interféree.
Mais~ si la vitesse de propagation est celle de la lumière, c’est-
à-dire une vi tesse de 3oo OOOklll par seconde, à des vibrations d’un millième de seconde correspondront des longueurs d’onde de 3ook"’, et, pour avoir seulement des longueurs d’onde de 3"l, il ne
faudrait pas que la durée de la vibration dépassât un cenu-ii-ill- lionième de seconde.
On ne peut songer à produire directement des courants alter- natifs de période aussi brève. Les oscillations qui accompagnent la décharge de la bouteille de Leyde, ou celles qui se produisent,
à chaque interruption du courant inducteur, dans le fil secon-
daire resté ouverte de la bobine de Ruhmkorff~ sont beaucoup plus rapides ; mais on les trouve toujours comprises entre un dix-
millième et un cent-millième de seconde (1).
NI. Hertz a imaginé une disposition permettant d’obtenir des oscillations isochrones dont la durée ne dépasse guère un cent-
millionième de seconde et il a réussi àmontrer que ces oscillations
produisent en effet des ondes capables de donner lieu à des phé-
nomènes d’interférences.
La partie essentielle de l’appareil est une espèce d’excitateur
(fig. 1), dont les deux branches, en prolongcn1ent rune de l’autre,
( 1) Pour que le mouvement de l’électricité dans un conducteur prenne le ca- ractère oscillant, il faut que ce conducteur satisfasse à la relation
R désignant la résistance, C la capacité et L le coefficient de self-induction, les trois quantités étant exprimées en unités électromagnétiques. Lorsque la rési-
stance est négligeable, auquel cas la condition est toujours satisfaite, la durée de l’oscillation simple est donnée par la formule
les oscillations sont isochrones et le coefficient d’amortissement a pour valeur
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sont terminées par deux grosses sphères A, A’. La tige est un fil
de 5m111 de diamètre ; les deux boules ont 3cm de diamètre et sont écartées de ocm, 75 environ. Le diamètre des deux grosses sphères
est de 3o"- et leur distance, qu’on peut varier à volonté, est d’en-
viron lm.
Fig. i.
Supposons que les deux sphères, réunies par un conducteur continu) soient à un instant donné portées à des potentiels dif- férents. puis abandonnées à elles-mêmes ; l’équilibre s’établira par
une série d’oscillations dont la durée dépendra de la capacité et
du coefficient de self-indlieuion du système. C’est ce que 1~~. Hertz réalise en mettant les deux boules de l’excitateur en communica- tion permanente avec les deux bornes d’une bobine de ~.uh~nkorr‘~f’.
La bobine qu’il emploie est une bobine de 50cm de longueur et de
20cm de diamètre ; elle est excitée par six grands éléments Bunsen
et un interrupteur à mercure.
Voici quel est le jeu de l’appareil. Au moment où l’induction
se produit sur le fil secondaire de la bobine, les deux branches de
l’excitateur qui en forment les extrémités sont portées à des po- tentiels diflérents et au même instant une forte étincelle éclate
entre les deux boules. Celle-ci établit, pendant un temps très court,
entre ces deux boules, un passage de faible résistance, à travers
lequel le conducteur rectiLigne se décharge snr lui-même d’une manière indépendante, à peu près comme s’il était séparé de la
bobine. Ces oscillations s’éteignent avant que l’oscillation suivante de la bobine ait eu le temps de se produire, et elles se renou-
vellent de la même manière à chaque oscillations de celle-ci. On peut assimiler l’état de l’excitateur à celui d’une barre dont on
entretiendrait les vibrations par une série de coups de marteau.
La condition essentielle du phénomène est donc que l’étincelle
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d’induction passe et présente une in tensi té convenable. Si l’on écarte les houles de manière à la supprimer et à laisser ouvert le
fil secondaire de la bobine, on n’a plus que les oscillations propres de la bobine et celles-ci sont environ dix mille fois plus lentes que les oscillations propres de l’excitateur.
Il y aurait grand intérêt à mesurer directement la durée de ces
dernières ; mais la chose parait difficile. Tout ce qu’on peut faire, y
c’est de la calculer, au moins d’une manière approximative, au
moyen de la formule connue
Pour l’appareil décri t plus haut, la capacité se réduit à celle des sphères; le coefficient de self-ind uction, à celui du fil rectiligne
intermédiaire. On peut prendre pour la capacité électrostatique
de chacune des sphères i 5cm ; pour le coefficient de self-induction du fil, la formule I. ~_ ~ L log nép ‘~ Z - «, ; ~ , , j dans laquelle 1 re-
présente la longueur du fil 1 et d son diamètre, donne L 1 I 900~’~.
On a donc approxiinativement
L’excitateur ainsi disposé présente une propriété très remar- quable. Qu’on recourbe un fil métallique de manière à en faire
un circuit presque fermé, en ne laissant entre les deux extrémités
qu’un intervalle d’une fraction de millimètre et qu’on le place
dans le voisinage de l’excitateur, même à une distance de plusieurs
mètres, on voit un ûux continu d’étincelles jaillir entre les deux
extrémités. 1VI. Hertz munit les deux extrémités du fil d’un petit
micromètre à étincelle qui lui permet de varier et de mesurer la distance explosive.
En répétant l’expérience avec des circuits de même forme,
circulaires par exernple, mais de grandeurs différentes, on trouve
une dimension pour laquelle l’étincelle présente un maximum
très marqué. Pour les dimensions plus petites ou plus grandes, le
flux est moins nourri et la distance explosive moindre. Il est évi- dent que cette dimension est celle pour laquelle les oscillations propres du cadre ont la même durée que celles de l’excitateur. Le
cadre, à l’unisson de l’excitateur, agit à la manière d’un résona-
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leur. C’est ce nom que nous lui donnerons désormais. Le résona- teur employé par M. Hertz est un cercle de 35cm de diamètre.
L’expérience montre que la résistance du circuit fermé n’a
aucune influence ; tout ce qui modifie sa forme ou sa capacité a, au contraire, une influence considérable. Pour achever le réglage des
deux appareils eu les mettre exactement à l’unisson, on peut, ou bien modifier l’écartement des deux sphères de l’excitateur, ou bien suspendre vers les extrémités du résonateur deux petits bouts
de fils métalliques parallèles dont on fait varier l’écartement ou la
longueur.
Examinons maintenant la nature des actions produites par l’ex- citateur. Ces actions sont de deux espèces, les unes électrosta-
tiques, les autres électromagnétiques.
Les actions électrostatiques sont dues aux variations alterna- tives de potentiel des deux sphères A et ~.’. La distribution des
lignes de force à un instant donné est à peu près celle qui correspon- drait à deux masses égales et de signes contraires, placées au centre
des sphères. Toutes les lignes de force aboutissent à ces deux
points et sont dans des plans passant par l’axe de l’excitateur.
Les actions électromagnétiques sont dues aux courants alterna-
tifs qui parcourent le conducteur rectiligne; les lignes de force,
au moins dans la partie moyenne, sont des circonférences concen-
triques à l’axe de l’excitateur.
Les deux actions ont évidemment la même période; mais les
maxima de l’une correspondent aux minima de l’autre : la dif- férence de phase est égale à ’.
Elles décroissent inégalement avec la distance ; la première varie
sensiblement en raison inverse du cube, la seconde en raison in-
verse de la simple distance.
Supposons le résonnateur placé dans une région ou le champ
des deux actions soit uniforme, et considérons successivement chacune d’elles.
L’action électrostatique est nulle, quand le plan du cadre est perpendiculaire aux lignes de force; elle est maximum, quand le plan du cadre est parallèle à ces lignes. Mais, dans ce cas, elle dépend de la situation relative de l’interruption ln, ou, en appelant lig-tae de s,~~métrie clu cadre la ligne r2m clui passe par l’interrup-
tion et par le centre, de la position de la ligne de symétrie. Si la
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ligne de svmëtrie est parallèle au champ ( f~-. 2 ~, la force tend à
porter les deux extrémités au même potentiel et ne peut donner d’étincelles; il est facile de voir, au contraire, que l’action sera maximum quand la ligne de symétrie sera perpendiculaire au champ ( f ~~. ~ ~ .
Fig. 2. Fig. 3.
In,
Quant à l’action électrot11agnétique, elle ne dépend que de la valeur du flux de force qui traverse le cadre, et reste le même quelle que soit la position de la ligne de symétrie. L’action est
nulle quand le plan du cadre est parallèle au champ, maximum quand il est perpendiculaire.
En particulier, le résonateur est soustrait à toute action de la
part de l’ex~,:itateur, quand son plan coïncide avec le plan de syné-
tri e de ce dernier.
En général, l’étincelle observée sera due à larésultante des deux actions. On peut en obtenir ayant jusque ()mm à 7mm de longueur.
L’action électrostatique est généralement prédominante.
Arrivons maintenant aux expériences d’interférences. Je com-
111enCeraÎ par les dernières due 1VL Hertz aitpul.aliées, comme étant
celles qui présentent les conditions les plus simples. Elles consis-
tent à déterminer les noeuds des ondes stationnaires résultant de 1 interférence des ondes directes avec les ondes réfléchies par une
paroi plane. C’est, appliquée aux ondes électriques, l’expérience
bien conn ue de Savart sur l’interférence des ondes sonores directes
et des ondes réfléchies par un mur.
L’excitateur employé par 81. Hertz diffère un peu de celui qui
a été décrit plus haut; les deux grosses sphères sont remplacées
par des plaques carrées de laiton de o"’, ~~o de côté et distantes de o"’, 40. Le calcul donne pour durée de l’oscillation propre 1,4
cent-millionième de seconde. Le résonateur est encore un cercle
de o"B35 de diamètre, convenablement aj usté.
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L’expérience était faite dans une grande salle. L’excitateur était à l’une des extrémités, son axe étant placé verticalement. Le mur
opposé, situé à une dizaine de mètres, était recouvert d’une feuille de zinc en communication avec le sol.
Les mouvements vibratoires provoqués parl’excitateur viennent t
se réfléchir sur la surface métallique. Les ondes réfléchies inter- férant avec les ondes directes donnent naissance à des ondes sta-
tionnaires séparées par des noeuds ûxes. Mais nous avons en réalité deux systèmes d’ondes. La force électrique étant nulle à l’intérieur d’un conducteur parfaite les ondes électrostatiques doivent se ré-
fléchir sans perte d’intensité et avec changement de signe. Le pre- mier nocud doit se trouver sur la surface réfléchissante même.
L’expérience montre du’il se trouve un peu en arrière de la surface,
en A, le suivant en C, et que l’éiau vibratoire peut être représenté
par la ligne pleine ( f b~. ~ ~. Au contraire, l’action électroma- Fig.4.
~’j
gnétique s’exerçant à l’intérieur du conducteur) la réflexion de l’onde électromagnétique doit se faire sans changement de signe,
comme dans un tuyau ouvert, etla surface réfléchissante correspond
à un ventre. Si la vitesse de propagation des deux systèmes d’onde
est la rnéme, le mouvement vibratoire sera représente par la ligne ponctuée, et les n0153uds des deux systèmes se succéderon t à des dis-
tances égales au quart de la longueur de l’ondulation complète..
Tel est en effet l’état de choses que révèle le résonateur. Pla-
I23 çons son centre sur la perpendiculaire abaissée de l’interruption de
l’excitateur sur la surface réfléchissante, ligne que nous appelle-
rons la j2onmale d’incidence, et supposons son plan vertical : s’il
est parallèle à la normale d’incidence, nous dirons qu’il est dans
le plan de vibration; s’il est perpendiculaire à la normale, nous
dirons qu’il est dans le plan de l’onde. Au n0153ud C ou au voisinage
immédiat de la paroi, le résonateur placé dans le plan de l’onde
ne donne pas d’étincelles ou du moins des étincelles extrêmement
faibles, quelle que soit la position de la ligne de symétrie j~2n. Les
étincelles manquent également en B et en D, si, plaçant le réso-
nateur dans le plan de vibration, on met la ligne de symétrie inn
verticale (positions V et VII de la figure). Quand le résonateur
est dans le plan de vibrations, pour avoir le maximum d’étincelles, il
faut rendre horizontale la ligne de symétrie; l’étincelle est beau- coup plus forte quand l’interruption est du côté du noeud que dans la position contraire. Ainsi, pour avoir la plus forte étincelle, il
faut placer le cadre comme on le voit dans les positions I, II, III,
IV (fig. 4 ).
L’étude attentive de tous ces phénomènes et leur discussion mon- trent que, dans le cas des expériences de 1~I. Hertz, deux noeuds
de même espèce sont séparés par une distance de 4m, 5. En ad-
mettant la durée calculée de I ,4. 10-8 secondes, on en déduit une
vitesse de propagation de 3,9-.ioO centimètres ou 320000’‘nl par
seconde, c’est-à-dire sensiblement la vitesse de la lumière.
Passons maintenant à un autre ordre d’expériences.
L’excitateur à plaques ayant son axe horizontal, on place derrière
une des plaques, la plaque A par exemple (fig. 5), une plaque P
de même dimension, réunie, comme le montre la Figure, à un fil de
cuivre ccbc tendu horizontalement dans le plan de symétrie de l’ap- pareil. On peut à volonté donner à ce fil une longueur finie et le .
maintenir isolé, ou bien en faire un fil indéfini en le prolongeant
autant que possible en dehors de la salle et mettant son extrémité
en communication avec le sol.
Prenons le fil dans la première condition : les mouvements élec-
triques développés dans la plaque P par l’influence de la plaque
voisine se transmettent dans le fil et, en se réfléchissant à l’extré-
mité, donnent naissance à des ondes stationnaires; à partir de
son extrémité, le fil est partagé par des noeuds en concamérations
fixes. A tout instant, deux concamérations consécutives sont le
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siège de mouvements de sens contraires. Il s’agit de déterminer
par expérience la position des noeuds.
A cet effet, plaçons le résonateur dans le plan vertical de sy- métrie en 0, l’interruption tournée du côté du fil. Il estainsi sous-
trait a l’action directe de l’excitateur et soumis seulement à l’action
électromagnétique des courants du fil. On trouve cette action nulle à l’extrémité et à des distances successives de a~B8 à partir de cette
extrémité. Ces positions correspondent à des noeuds de vibration.
°
Fig. 5.
En coupant le fil à l’un des noeuds, on ne change rien dans la partie restante; c’est l’analogue de l’expérience bien connue de
la flûte à segmentes égaux. Si on laisse en place la partie coupée,
elle continue à être le siège des mêmes mouvements, mais avec
une intensité moindre.
La demi-longueur d’onde dans le fil est donc de 2m, 8 ; la durée
de la période est celle de l’excitateur. Celle-ci étant de i,4 , io~g secondes, on en déduit, pour la vitesse de propagation dans le fil,
V == 2. 101~ centimètres,
c’est-à-dire une vitesse égale aux deux tiers de la vitesse de la lu-
t