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4 • Interaction électromécanique
les densités de force et d’énergie mises en jeu par couplage électrostatique sont près
de 100 000 fois plus faibles que leurs homologues magnétiques !
Certes, ces valeurs peuvent être sensiblement augmentées en jouant sur les propriétés du milieu dans lequel baignent les parties actives du dispositif. On aura ainsi
très souvent recours à des isolants gazeux tels que l’hexafluorure de soufre (S F 6 ).
Utilisé sous une pression de 1 MPa, ce gaz permet de porter le champ critique à
une valeur voisine de 90 MV.m
−1 (ce qui ramène le niveau des efforts électrostatiques à une valeur 10 fois inférieure à celle des forces magnétiques). Néanmoins, la
complexité technologique qui en résulte réduit considérablement la portée de l’interaction électrostatique face aux applications classiques de l’électromécanique. Aussi,
les machines électrostatiques seront-elles presque exclusivement réservées au domaine des générateurs à très hautes tensions et faibles courants. Ces machines sont
notamment utilisées pour l’alimentation des accélérateurs de particules (les tensions
s’échelonnent entre 1 et 35 MV pour des courants généralement inférieurs à 1 mA).
Dans ce type de générateur, le courant i est dû au déplacement mécanique d’une
quantité de charge q c au moyen d’un « transporteur » mobile. Ce dernier reçoit cette
charge (supposée positive) du pôle à bas potentiel et la transmet au pôle à haut potentiel. La quantité de charge transférée par seconde correspond au courant i = dq c /dt.
La tension appliquée sur la charge extérieure (v c = ri dans le cas d’un circuit purement résistif) n’est alors limitée que par l’isolement entre les pôles. Elle peut donc atteindre des valeurs d’autant plus élevées que la distance séparant les pôles est grande
(ce qui augmente d’autant l’encombrement général de la machine). En revanche, le
courant demeure faible, par principe, du fait de la charge que l’on peut communiquer
au transporteur et de sa vitesse limitée.
Les générateurs électrostatiques ont des formes très diverses suivant la nature du
transporteur utilisé (solide, liquide ou gazeux). On emploie le plus souvent un isolant. Celui-ci est chargé et déchargé sous l’effet d’une ionisation locale au moyen
de pointes ou de lames (ioniseur) influencées par une contre-électrode (inducteur).
L’énergie de charge requiert la mise en jeu d’un générateur auxiliaire (tension primaire de l’ordre de 10 kV). Quant à la décharge, il suffit de relier électriquement
l’ioniseur et l’inducteur. On peut citer à titre d’exemple les générateurs à bande isolante (machines de type Van de Graaf). Selon une forme de réalisation classique, ces
structures utilisent un transporteur en forme de courroie sans fin tendue entre deux
poulies métalliques. La première est entraînée par un moteur et reliée au sol. Elle
constitue l’inducteur pour l’ioniseur de charge connecté au générateur d’excitation.
La deuxième poulie, située à l’intérieur d’une sphère isolée (pôle à haut potentiel),
est reliée à la sphère et à l’ioniseur de décharge. Le dispositif baigne dans un mélange
d’azote et de gaz carbonique sous une pression de 1 à 2 MPa. Les dimensions du générateur sont relativement imposantes : environ 5 m de long et 2 m de diamètre pour
un appareil de 3 MV !
Afin de disposer d’un courant de charge i d’intensité significative, sans pour autant
mettre en jeu un transporteur de grande dimension, on peut avoir l’idée de véhiculer la
4 • Interaction électromécanique
les densités de force et d’énergie mises en jeu par couplage électrostatique sont près
de 100 000 fois plus faibles que leurs homologues magnétiques !
Certes, ces valeurs peuvent être sensiblement augmentées en jouant sur les propriétés du milieu dans lequel baignent les parties actives du dispositif. On aura ainsi
très souvent recours à des isolants gazeux tels que l’hexafluorure de soufre (S F 6 ).
Utilisé sous une pression de 1 MPa, ce gaz permet de porter le champ critique à
une valeur voisine de 90 MV.m
−1 (ce qui ramène le niveau des efforts électrostatiques à une valeur 10 fois inférieure à celle des forces magnétiques). Néanmoins, la
complexité technologique qui en résulte réduit considérablement la portée de l’interaction électrostatique face aux applications classiques de l’électromécanique. Aussi,
les machines électrostatiques seront-elles presque exclusivement réservées au domaine des générateurs à très hautes tensions et faibles courants. Ces machines sont
notamment utilisées pour l’alimentation des accélérateurs de particules (les tensions
s’échelonnent entre 1 et 35 MV pour des courants généralement inférieurs à 1 mA).
Dans ce type de générateur, le courant i est dû au déplacement mécanique d’une
quantité de charge q c au moyen d’un « transporteur » mobile. Ce dernier reçoit cette
charge (supposée positive) du pôle à bas potentiel et la transmet au pôle à haut potentiel. La quantité de charge transférée par seconde correspond au courant i = dq c /dt.
La tension appliquée sur la charge extérieure (v c = ri dans le cas d’un circuit purement résistif) n’est alors limitée que par l’isolement entre les pôles. Elle peut donc atteindre des valeurs d’autant plus élevées que la distance séparant les pôles est grande
(ce qui augmente d’autant l’encombrement général de la machine). En revanche, le
courant demeure faible, par principe, du fait de la charge que l’on peut communiquer
au transporteur et de sa vitesse limitée.
Les générateurs électrostatiques ont des formes très diverses suivant la nature du
transporteur utilisé (solide, liquide ou gazeux). On emploie le plus souvent un isolant. Celui-ci est chargé et déchargé sous l’effet d’une ionisation locale au moyen
de pointes ou de lames (ioniseur) influencées par une contre-électrode (inducteur).
L’énergie de charge requiert la mise en jeu d’un générateur auxiliaire (tension primaire de l’ordre de 10 kV). Quant à la décharge, il suffit de relier électriquement
l’ioniseur et l’inducteur. On peut citer à titre d’exemple les générateurs à bande isolante (machines de type Van de Graaf). Selon une forme de réalisation classique, ces
structures utilisent un transporteur en forme de courroie sans fin tendue entre deux
poulies métalliques. La première est entraînée par un moteur et reliée au sol. Elle
constitue l’inducteur pour l’ioniseur de charge connecté au générateur d’excitation.
La deuxième poulie, située à l’intérieur d’une sphère isolée (pôle à haut potentiel),
est reliée à la sphère et à l’ioniseur de décharge. Le dispositif baigne dans un mélange
d’azote et de gaz carbonique sous une pression de 1 à 2 MPa. Les dimensions du générateur sont relativement imposantes : environ 5 m de long et 2 m de diamètre pour
un appareil de 3 MV !
Afin de disposer d’un courant de charge i d’intensité significative, sans pour autant
mettre en jeu un transporteur de grande dimension, on peut avoir l’idée de véhiculer la