Machine de Wimshurst

La Machine de Wimshurst
Expérimentarium de physique
Jean-Rémi Dierickx
Machine de Wimshurst
© XP
1. P. Léonard, « La bouteille de Leyde », Lettre d’information du Réseau des Musées de l’ULB, 2016, 12, p. 7.
En comparant les valeurs du potentiel en deux points de l’espace, on mesure la différence de potentiel électrique, aussi
appelée
« tension électrique ». Cette tension, qui se mesure également en Volts (V), n’a de sens que si on réussit à maintenir des
charges de signe opposé en deux points distincts de l’espace ; c’est ce qui se passe par exemple grâce à une réaction
chimique dans les piles et batteries (fig. 2).
Il est donc théoriquement possible de générer une tension électrique aussi grande qu’on le souhaite en séparant toujours
plus de charges électriques dans un matériau et c’est ce que l’on essaye de faire avec les machines électrostatiques.
Le dispositif joue à la fois sur le principe de l’électrophore et sur les contraintes géométriques de ces machines : deux
disques isolants (en verre) sur lesquels on place des secteurs métalliques vont générer à la surface de ces secteurs
conducteurs des charges de même signe que celui du verre, que l’on va faire passer sur l’autre disque grâce à des balais,
augmentant les charges sur les matériaux isolants. Les balais doivent être inclinés et placés en X afin que les charges
se retrouvant sur l’autre disque ne viennent pas neutraliser celles qui s’y trouvaient déjà. Des collecteurs conducteurs
vont ensuite être placés stratégiquement autour des disques. Ils jouent le rôle de cage de Faraday et sont reliés à des
condensateurs (bouteilles de Leyde) pour y stocker les charges de signe opposé (comme le conducteur de l’électrophore).
Lorsque les disques tournent, le champ généré par le disque va influencer l’autre disque et le nombre de charges récupérées
augmentent exponentiellement (fig. 3).
Ces machines électrostatiques ont été développée durant le XIXe siècle pour en arriver au modèle de Wimshurst entre 1880
et 1883, devenu populaire grâce à l’obtention de tensions de l’ordre de 15 à 20 kV.
Il est possible d’encore augmenter l’efficacité de la machine en plaçant plusieurs disques en parallèle, comme on peut
le voir dans le modèle exposé à l’Expérimentarium de physique.
Au début du XXe siècle, on découvrit qu’il était possible d’augmenter le rendement de ces machines en les plaçant dans une
atmosphère de dioxyde de carbone sous haute pression ; en effet, la densité maximale de champ électrique dans l’air est
très faible, ce qui implique que le champ généré aura tendance à s’étaler autour de la machine. En utilisant un autre gaz,
on peut confiner le champ électrique autour des disques et ainsi augmenter leur capacité à se charger (fig. 4).
Les machines électrostatiques et leurs applications
Outre l’aspect didactique des machines de Wimshurst, qui permettent d’engendrer facilement des tensions si élevées
qu’une décharge électrique puisse se produire dans l’air et former un arc électrique de quelques centimètres (tension ~
8000V), les machines de Wimshurst ont notamment été utilisées comme générateurs de haute tension pour alimenter
des ampoules de Crookes et générer des rayons cathodiques, mais également ce que Roentgen appellera des rayons X.
Le médecin britannique John Hall-Edwards (1858-1926) est un pionnier de l’imagerie médicale et se dotera d’une machine
de Wimshurst pour alimenter son ampoule à rayon X et effectuer les premières radiographies lors de la guerre des Boers
en Afrique du Sud en 1900.
Le générateur de Van der Graaf, autre machine électrostatique à influence, sera le premier générateur à haute tension
utilisé dans les accélérateurs de particules à partir des années 1930.
Pour en savoir plus :
- Mascart, E. E. N., Traité d’électricité statique, Paris, Masson, 1876.
- Oxford Dictionary of National Biography (https://www.oxforddnb.com/).
- Pancaldi, G. Volta, science and culture in the Age of Enlightenment,
Princeton University Press, 2003, p. 73–105.
- Van de Graaff, R. J., K. T. Compton & L. C. Van Atta, “The electrostatic
production of high voltage for nuclear investigations”, Physical Review, 43,
1933, p. 149-157.
- Wimshurst, J., “A New Form of Influence-Machine”, Proceedings of
the Physical Society of London, 12(1), 1892 (DOI 10.1088/1478-
7814/12/1/326).
14 Lettre d’information du Réseau des Musées de l’ULB N°29 - Septembre > Décembre 2025 Les objets des derniers mois
Fig. 1. L’électrophore de Volta
Fig. 2. La machine de Wimshurst
de l’XP.
Fig. 3. Schéma de fonctionnement
de la machine de Wimshurst
Fig. 4. La machine de Wimshurst de l’XP.
On peut voir qu’elle