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L’électro-aimant le plus puissant du monde : L’électro-aimant de l’Académie des Sciences

La Nature N°2790 - 1er août 1928

Mis en ligne par Denis Blaizot le dimanche 1er mars 2009

M. Cotton vient d’annoncer à l’Académie que le grand Électro-aimant qu’il a fait construire pour elle, grâce à des fonds provenant de la souscription nationale de la Journée Pasteur, vient d’être terminé ; on vient de l’installer à la place qui lui était réservée à Bellevue à 1’Office National des Recherches Scientifiques et Industrielles et des Inventions, dirigé par M. J .-L. Breton

Le grand électro-aimant de l'Académie des Sciences

 A QUOI SERVIRA L’ÉLECTRO-AIMANT ?

Une des bobines de l'électro-azimant chargée sur un camion

Les physiciens se servent constamment dans leurs recherches de champs magnétiques, il leur faut des champs intenses, mesurés par un grand nombre de gauss, mais cela ne leur suffit pas, il faut encore que l’espace où ce champ est utilisé, l’entrefer de l’électro-aimant, soit aussi étendu que possible. Si les pièces polaires de cet instrument, pièces de forme tronconique, pouvaient être travaillées au tour d’une façon parfaite de façon à satisfaire le géomètre le plus exigeant, et si le diamètre et la distance des facettes terminales limitant l’entrefer utile pouvaient être réduits indéfiniment, n’importe quel instrument, même tout petit, donnerait des champs qui croîtraient sans limite. La question si souvent posée : « Quel champ donne votre électro-aimant ? ) ne peut recevoir de réponse que si on précise en même temps les dimensions de l’entrefer. Pratique­ment, les tout petits entrefers ne peuvent jamais servir. Non seulement il faut de la place pour loger les appa­reils qu’on doit utiliser dans le champ magnétique, mais dans beaucoup de recherches la grandeur même des phénomènes qu’on étudie dépend directement des dimen­sions de ce champ. C’est en vue de telles recherches, par exemple de celles où l’on étudie l’action du champ magnétique sur les propriétés optiques des milieux trans­parents, que le grand électro-aimant a été construit ; son but apparaît ainsi nettement distinct de celui que M. Kapitza s’est proposé à Cambridge.

Voici quelques-unes des recherches de science pure auxquelles l’emploi de ce puissant instrument pourra apporter de précieuses contributions : étude des pro­priétés magnétiques de la matière aux hautes et basses températures, modifications de la conductibilité thermi­que ou électrique par les champs magnétiques ; recher­ches sur la structure des cristaux ; détermination de la forme des molécules d’après leur orientation dans le champ magnétique, analyse de l’architecture de l’atome ; influence du champ magnétique sur la lumière, sur la radioacti­vité, etc.

Le domaine biologique qui n’a pas encore été abordé au point de vue magnétique pourra être lui aussi exploré.

Cette rapide énumération montre le vaste champ ouvert aux investigations aidées de l’outil puissant qui vient d’être créé.

 L’HISTOIRE DE L’ÉLECTRO-AIMANT DE L’ACADÉMIE

Le montant vertical de l'électro-azimant chargé sur un camion

Il y a longtemps déjà que M. Cotton de­mandait la construction d’un gros électro-aimant ayant des noyaux de l’ordre d’un mètre de diamètre. En 1914, la campagne qu’il pour­ suivait depuis plusieurs années était sur le point d’aboutir. L’Université de Paris avait mis en réserve dans ce but 50000 francs prélevés sur le Legs Commercy. Le Président de l’Académie des Sciences, qui était alors M. P. Appell, avait constitué une Commis sion de savants éminents qui avaient tenu en 1914 une série de séances au cours desquelles on avait examiné « les conditions dans les­quelles pourrait être réalisé un électro-aimant d’une puissance exceptionnelle ». M. Pierre Weiss (aujourd’hui professeur à l’Université de Strasbourg et membre de l’Académie des Sciences), M. A. Piccard, de Zurich (mainte­nant professeur de I’Université de Bruxelles), avaient étudié avec soin un avant-projet qui avait été approuvé par la Commission. Enfin le Prince Roland Bonaparte s’intéressait vive­ ment à l’œuvre entreprise et désirait y attacher son nom ; il avait promis de fournir les moyens financiers nécessaires. Mais à ce moment même la guerre éclata.

Après la fin des hostilités, M. A. Cotton reprit son ancien projet et fit appel aux fonds de la Journée Pasteur. Un crédit d’un million de francs fut accordé et il put dès lors consacrer tous ses efforts à la réalisation du gros électro-aimant.

Mais il fallait modifier le projet primitif : il parut impossible de construire et surtout d’installer à la place prévue la lourde culasse en une pièce, du poids de 60 tonnes, prévue dans le projet de 1914. De plus, des travaux sur la production des champs magnétiques avaient paru depuis cette date et l’on pouvait se deman­der si la solution à laquelle on s’était arrêté était tou­jours la meilleure. Une nouvelle étude s’imposait ; elle a été faite par M. Cotton avec la collaboration constante de M. Mabboux, ingénieur attaché à la Section de Physique de l’Office National des Recherches et Inventions.

Montage d'une des bobines de l'électro-aimant

Une fois le nouveau modèle choisi ; une réduction au quart, sorte de « maquette », du gros instrument fut entièrement construite dans les ateliers de l’Office Natio­nal des Recherches et Inventions, et l’on fit sur cet appareil les retouches successives et les essais systématiques nécessaires pour répondre aux diverses questions posées.

Cette étude a apporté des renseignements intéressants, d’ordre général , sur la construction des électro-aimants, petits ou grands, et sur la théorie elle-même de ces ins­truments. On a constaté, par exemple, que les noyaux cylindriques ou tronconiques donnaient, contrairement à ce qu’on avait pensé, des résultats très voisins, que la culasse n’a décidément pas pour la production du champ l’importance que certains lui attribuaient et qu’elle ne sert souvent qu’à éviter les inconvénients d’un champ magnétique parasite au voisinage de l’instrument, etc. Du point de vue théorique, le résultat le plus important c’est que la notion de circuit magnétique, si précieuse pour le calcul des transformateurs, est à peu près inutile quand il s’agit d’un tel électro-aimant de laboratoire. Dans ce cas, c’est un autre calcul qui est alors indispen­sable : celui du champ direct que produisent les bobines magnétisantes au centre de l’instrument.

Il fut ensuite relativement facile de faire le projet du gros électro-aimant lui-même. Il fut plus difficile de le faire exécuter, car les prix de toutes choses s’élevaient sans cesse et les machines-outils des ateliers de l’Office National des Recherches et Inventions étaient abso­lument insuffisantes pour usiner de telles pièces. Il fallut s’adresser pour les diverses pièces les plus importantes à différents constructeurs acceptant d’exécuter à des prix avantageux des commandes n’ayant aucun intérêt commercial. La Compagnie française Thomson-Houston fut chargée finalement de l’exécution de l’ensemble et le travail fut poursuivi avec rapidité dans ses ateliers de Saint-Ouen.

 DESCRIPTION DE L’ÉLECTRO-AIMANT

La forme choisie pour le gros électro-aimant est la suivante :

Qu’on imagine une sorte de cage, de section presque carrée de près de 3 m. de côté, formée par 4 poutres horizontales en acier coulé de 40 cm de côté, réunies à leurs extrémités par des entretoises rigides. Sur les deux poutres inférieures glissent deux montants verti­caux portant à la fois les noyaux et les bobines. D’autres poutres horizontales, plus larges, des longerons, éga­lement en acier doux, forment les unes le plancher, les autres le plafond de la cage, Pendant le glissement de montants, leurs faces supérieure et inférieure, dressées, viennent frôler les faces correspondantes de ces larges longerons. Leur rôle est d’accroître la section de la culasse. Cette forme d’électro-aimant, peu pratique pour un petit électro-aimant parce que la cage gêne quand on veut manier des objets placés dans l’entrefer, le devient pour un gros ; en effet, l’opérateur peut alors pénétrer lui-même dans la cage, passer entre les bobines et entre les pôles. Les faces en regard des bobines, hautes de 1 m. 90, laissent entre elles en effet un couloir dont la largeur, toujours plus grande que 0 m. 41, peut atteindre 1 m. 25.

Mise en place d'un montant vertical et de son noyau

Ces bobines sont enroulées sur une carcasse de bronze, leurs joues sont en aluminium. L’enroulement est formé par un tube de cuivre électrolytique de section carrée dans lequel on fait circuler de l’eau : c’est la dis­ position toujours employée dans les électro-aimants Weiss.

L’enroulement comporte une longueur utile de 5 km 5 pesant 8,6 tonnes. La section du conducteur est un carré de 1 cm 55 de côté et le ca­nal cylindrique central a 89 cm de diamètre.

Les faces terminales des pièces polaires ont des diamètres variant entre 75 cm pour les grandes pièces plates et 3 mm pour les plus petites. Toutes celles dont le diamètre est inférieur à 250 mm sont en ferrocobalt, le métal dont P. Weiss a décou­vert les précieuses propriétés (l’aimantation qu’il prend dans un champ donné est supérieure de 10 pour 100 à celle du fer pur). La préparation de cet alliage, surtout en pièces de cette importance, exige des précautions particulières ; c’est grâce à la collaboration de M. Charpy, de l’Académie des Sciences, que toutes les difficultés ont été levées.

Le poids total de l’instrument est à peu près 120 t , la puissance électrique des deux groupes qui l’alimentent actuellement à Bellevue est 100 kilowatts. Les mesures précises de champ n’ont pas encore été faites dans de petits entrefers. Celles qui ont été faites dans des entre­ fers étendus ont donné exactement le résultat qu’on attendait et qu’on déduisait de l’étude faite sur le modèle réduit. Indiquons, par exemple, qu’on obtient 46400 gauss dans un volume cylindrique ayant 4 cm de diamètre et 2 cm de hauteur. Des champs de cette intensité avaient été réalisés déjà, mais dans des intervalles bien trop petits pour qu’on puisse les utiliser.

Aux champs ainsi réalisés dès à présent il faut ajouter l’appoint très important que fourniront des bobines supplémentaires placées dans l’entrefer. Le choix de ces bobines (relativement peu coûteuses) dépend de la nature des expériences. Elles ne sont pas encore construites ; on a simplement fait les études préliminaires relatives à leur fonctionnement. Mais dès à présent, M. J .-L. Bre­ton a fait installer dans la Station de Recherches qui se trouve précisément non loin de l’électro-aimant sur les terrains de l’Office National des Recherches et Inventions de puissants groupes de transformation ne donnant pas ensemble moins de 2500 kV-A ; ils serviront à ali­menter ces bobines sup­plémentaires.

Ajoutons que sur l’em­placement de l’électro-aimant lui-même, entre les piliers qui servent à le supporter, se trouve, dans une chambre spéciale, une table qui portera la fente et le châssis d’un grand spectrographe ; on a con­struit un puits de 9 m. de profondeur, soigneusement clos et bien étanche, dont la température cons­tante permettra des recherches d’optique très délicates.

En outre, pour travailler avec un électro-aimant, il faut des appareils : ceux qui serviront à Bellevue seront prêtés par le Labo­ratoire des Recherches Physiques de la Faculté des Sciences. Pour aménager les salles de travail où ils seront placés, pour acquérir cer­tains instruments spéciaux, des crédits ont été accordés à l’Université de Paris sur les fonds de la taxe d’appren­tissage par le Ministère de l’Instruction Publique.

Il est intéressant de fournir ici quelques précisions numériques : l’appareil pèse au total 120 tonnes, le poids d’une très puissante locomotive, dont 105 tonnes de fer ou acier, 9 tonnes de cuivre, 6 tonnes de métaux divers.

Les instruments de même nature actuellement en service ne pèsent guère que 1,5 tonne.

La culasse en acier doux moulé pèse 50 tonnes, les montants également en acier doux : 30 tonnes, les entre­ toises en même métal : 6 tonnes.

Les deux noyaux tronconiques forgés pesant 7 tonnes mesurent 0,94 m. de diamètre moyen, 1,21 de diamètre pour la grande section, 0,75 pour la petite. Leur largeur est de 0m. 65.

L’électro-aimant se compose de plus de 900 pièces diverses, non compris près de 1400 éléments de visserie et 1800 pièces isolantes.

On voit que l’ensemble de cette installation, par les dimensions de l’instrument principal, par la puissance qu’il mettra en jeu, par les diverses facilités qu’apporte le choix de son emplacement, dépasse largement ce dont on disposait jusqu’à présent. Les travailleurs qui pour­ront bientôt en profiter n’oublieront pas que si cette réalisation a pu être faite, c’est grâce à la Journée Pas­teur. Leur souvenir reconnaissant ira à tous ceux qui ont participé à l’organisation de cette journée, en même temps qu’à ces milliers de donateurs qui ont fait ce jour-là un geste généreux pour nos Laboratoires, en souvenir du grand savant qui pour tant de Français personnifie la Science même.

Pour plus d’informations sur le Grand électro-aimant et l’Office National des Recherches et Inventions : Bulletin de la Recherche et des Inventions.

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