THESES
présentées
A la Faculté des Sciences de l'Université de Paris
pour obtenir
Le Grade d'INGENIEUR-DOCTEUR
par
M. FELDENKRAIS
Ingénieur Diplômé E.E.P.
1re THESE — Sur la mesure de très hautes tensions
des générateurs électrostatiques du
type Van de Graaf.
2e THESE — Propositions données par la Faculté.
Mr. M. PAUTHENIER — Président
Mme I. JOLIOT-CURIE } Examinateurs
M. R. LUCAS
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AVANT PROPOS
Je me permets de demander l'indulgence du Jury sur deux points :
(1) Ce travail a été fait à Paisley, un petit village à l'ouest de l'Ecosse,
il fut dactylographié sur une machine anglaise par une anglaise. Ainsi un
certain nombre des fautes s'est ajouté à celles dont je suis coupable moi-même.
(2) Ce travail a ainsi perdu de son actualité. La préparation de cette
thèse était, en effet, complète vers la fin de 1939. La présente rédaction est
une reconstitution faite récemment en partie, d'après les publications aux Comptes
Rendus et au Journal de Physique et du Radium que j'ai faites en collaboration
avec nos maîtres au fur et à mesure que le travail avançait, et en partie d'après
des documents épars que j'ai pu retrouver. Une mémoire faussible a fait le reste.
Ainsi la présente rédaction n'a ni l'ampleur ni la documentation soignée
du travail original.
Une partie de la documentation que j'ai accumulée au cours de plusieurs
années de travail fut abandonnée avec mes biens et de mon propre gré dans les
circonstances que voici.
J'ai quitté Bordeaux le 22 Juin 1940 en ordre de mission du Ministère de
l'Education Nationale par délégation M. Moriolez, Doyen de la Faculté des Sciences de
Bordeaux. J'avais ordre de m'embarquer à Bayonne pour l'Angleterre et y trans-
porter trois valises de documents secrets à Centro qu'il a cru essentiel de
soustraire à l'inspection de l'ennemi qui était aux portes de la ville.
L'ennemi avançant rapidement je n'ai pu m'embarquer qu'à St. Jean de Luz
sur le dernier bateau. L'ordre du capitaine était de laisser tout bagage et
d'embarquer des personnes seulement. J'ai réussi, en des circonstances
dramatiques, grâce au commandant de l'escadrille escortant le bateau, de me voir
faite exception pour les trois valises.
De mes effets abandonnés sur la côte je n'ai gardé qu'une serviette conte-
nant des documents qui étaient par heureux hasard parmi les quelques bagages amenés
au dernier moment sur le bateau après que les personnes furent embarquées.
Le Professeur J.D. Bernal, ami dévoué de mon maître M. Paul Langevin
(j'étais collaborateur du Groupe 4 au Centre carte No. 924) et Lord Suffolk de
la Mission Scientifique Britannique auprès du Gouvernement de la République ont
fait l'impossible pour me permettre de mener à bien ma mission malgré des
complications et des grandes difficultés matérielles.
Ci-joint une reproduction de l'ordre de mission en question.
Paris, le 28th Octobre, 1945.
UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
FACULTÉ DES SCIENCES
CABINET DU DOYEN
Centre National de la Recherche Scientifique
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Bordeaux, le 21 Juin 1940
Ordre de Mission
Monsieur FELDENKRAIS Moshé, sujet britannique, collaborateur du Centre National de la Recherche Scientifique, et sa famille, rejoindra Bayonne le 21 Juin 1940, pour s'embarquer à destination de l'Angleterre.
Il transportera des documents destinés au Directeur de la Recherche Scientifique, et les déposera à l'Ambassade de France à Londres.
Au cas où il ne pourrait s'embarquer, il rejoindra le groupe de laboratoires de Toulouse.
Le Ministre de l'Education Nationale
Par délégation :
Le Directeur,
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TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION ............................................. 1
CHAPITRE I Préliminaires ............................. 2
CHAPITRE II Revue des Méthodes de mesure de hautes
tensions .................................. 5
CHAPITRE III Voltmètre à pendule sphérique ............. 13
CHAPITRE IV Voltmètre rotatif .......................... 25
CHAPITRE V Soupape électrostatique ................... 30
CHAPITRE VI Méthode du travail ........................ 32
CHAPITRE VII L'emploi du CO₂ dans la technique de
haute tension ............................. 37
CHAPITRE VIII Conclusions ............................... 40
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CHAPITRE I
PRÉLIMINAIRES
Les tensions des grands réseaux sont encore la plupart du temps inférieures à 500 kV. On mesure rarement les tensions de transport elles-mêmes. Dans les essais d'isolement on emploie des tensions de l'ordre du MV. La mesure des tensions de l'ordre de 10 MV est devenue chose courante dans les laboratoires de physique nucléaire. Pour le physicien la mesure des tensions de ce ordre ne présente pas de grandes difficultés. En effet, la mesure des énergies des ions accélérés, le spectre des rayons X et des méthodes empruntées à l'optique électronique permettent d'obtenir des valeurs assez précises des tensions employées.
Ces méthodes présentent l'inconvénient de ne pas être praticables pour des mesures continues. Elles servent alors le plus souvent pour l'étalonnage d'un appareil plus ou moins industriel.
Après la découverte de la radioactivité artificielle de nombreux physiciens ont demandé des installations pour la production des isotopes radioactifs. Les hautes tensions nécessaires permettent aussi la production de rayons X très pénétrants.
L'emploi du tétrachlorure de carbone, du fréon et des autres vapeurs sous pression permet de réduire les dimensions d'appareils générateurs de haute tension. La construction de grands bâtiments qui étaient naguère nécessaires pour abriter des appareils où ce gaz n'étant plus indispensable il y a aujourd'hui tout de même une méthode employant des appareils portatifs pour la production de haute tension.
Ainsi la mesure de très hautes tensions est devenue une nécessité plus ou moins industrielle. Les méthodes de laboratoire s'avèrent peu pratiques :
1. parce qu'un personnel très qualifié est indispensable,
2. les résultats ne sont connus que longtemps après la mesure,
3. les mesures ne sont pas continues mais pratiquées à des instants séparés.
Les générateurs modernes de haute tension sont du type Van de Graaf ou Pauthenier. La tension dans ces appareils est limitée par les fuites qui croissent rapidement avec elle. Il est essentiel alors que l'appareil de mesure de la tension ne provoque pas de puissance à la source. Si cette condition n'est pas satisfaite l'appareil ne rend pas les services qu'on lui demande.
La plupart des procédés courants de mesure de haute tension sont impraticables quand il s'agit d'un appareil à débit sensible comme le Van de Graaf. Car en dehors de la condition de puissance absorbée par l'appareil de mesure qui devrait ici rigoureuse il faut encore que l'appareil de mesure n'accroisse pas les fuites par sa présence. En effet, le voisinage des conducteurs augmente les fuites par des aigrettes ou décharge invisible dès que leur champ superficiel dépasse une certaine valeur.
Si le conducteur à la terre présente une pointe à rayon de courbure \(r\) il faudrait le placer à une distance supérieure à \(d\) calculée de la façon suivante\(^2\). Le champ à la surface de la sphère de rayon \(R\) est \(Q/R^2\), celui sur la pointe du conducteur est \(Q/(r d)\). Pour que le dernier soit inférieur à celui de la sphère il faut que
\(r d > R^2\) ou \(d > \frac{R^2}{r}\).
On voit alors que \(d\) est très grand et si cette condition était absolument rigoureuse on bâtirait des bâtiments géants contenant nécessaires pour abriter un appareil de haute tension. En pratique on tolère des distances notablement plus petites car les conditions sont plus favorables quand les conducteurs sont peu éloignés.
Ainsi les appareils de mesure doivent être placés bien loin de l'électrode chargée et aussi suffisamment éloignés des parois.
En rejetant les méthodes qui remplissent ces conditions, une seule paraît nous suffire il ne reste que peu de méthodes à considérer. Parmi celles-ci est l'électromètre à sphère que nous avons employé comme un pendule, la soupape électrostatique de Pauthenier, le voltmètre rotatif de Kilpatrick et la méthode du travail proposée par nous-mêmes.
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Les générateurs modernes de haute tension sont souvent du type Van de Graaf ou Pauthenier. La tension dans ces appareils
est limitée par les fuites qui croissent rapidement avec elle. Il est essentiel alors que l'appareil de mesure de la tension ne prenne pas de
puissance à la source. Si cette condition n'est pas satisfaite l'appareil ne rend pas les services qu'on lui demande.
La plupart des procédés courants de mesure de haute tension sont
impraticables quand il s'agit d'un appareil à débit sensible comme le Van de
Graaf. Car en dehors de la condition de puissance absorbée par l'appareil
de mesure qui devrait ici rigoureuse il faut encore que l'appareil de mesure
n'accroisse pas les fuites par sa présence. En effet, le voisinage des
conducteurs augmente les fuites par des aigrettes ou décharge invisible dès
que leur champ superficiel dépasse une certaine valeur.
Si le conducteur à la terre présente une pointe à rayon de
courbure r il faudrait le placer à une distance supérieure à d calculée de
la façon suivante(2). Le champ à la surface de la sphère de rayon R est
\(\frac{Q}{R^2}\), celui sur la pointe du conducteur est \(\frac{Q}{r d}\). Pour que le dernier
soit inférieur à celui de la sphère il faut que
\[
r d > R^2 \quad \text{ou} \quad d > \frac{R^2}{r}.
\]
On voit alors que d est très grand et si cette condition était absolument
rigoureuse des bâtiments géants seraient nécessaires pour abriter un appareil
de haute tension. En pratique on tolère des distances notablement plus
petites car les conditions sont plus favorables quand les conducteurs sont
près des murs.
Ainsi les appareils de mesure doivent être placés bien loin de
l'électrode chargée et aussi suffisamment éloignés des parois.
En rejetant les méthodes qui ne remplissent pas les conditions
énumérées plus haut il ne reste que peu de méthodes à considérer.
Parmi celles-ci est l'électromètre à sphère que nous avons employé comme un
pendule, la soupape électrostatique de Pauthenier, le voltmètre rotatif de
Kilpatrick et la méthode du travail proposée par nous-mêmes.
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La réalisation des appareils et l'étude de comparaison de ces quatre méthodes est l'objet du présent travail.
Au cours de la mise au point du Van de Graaf construit (1938) par M. Joliot et ses collaborateurs, aux laboratoires de l'Ecole Spéciale des Travaux Publics à Cachan, le fonctionnement de l'appareil a conduit à la découverte de l'effet du tétrachlorure de carbone sur la tension de rupture de l'air et les fuites(1).
Cette découverte permet un accroissement notable de la tension. Elle a été rapidement suivie, comme nous l'exposons plus loin, par la découverte de toute une série de vapeurs ayant le même effet et en particulier du Fréon. Cette découverte a été faite au cours de notre travail pour la présente thèse; c'est pourquoi nous nous permettons d'en parler avec quelques détails dans les dernières pages.
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CHAPITRE II
Revue des Méthodes de Mesure de Hautes Tensions
La classification méthodique des différentes méthodes de mesure de hautes tensions n'est pas facile. A. Jolley(3) et K. Derenwowski(4) ont fait un rapport sur l'état actuel de la question. A. Pink en a dressé un tableau assez complet d'après les possibilités d'emploi dans un service courant ou démonstration.
Il nous semble préférable et plus utile de diviser l'ensemble des méthodes de mesure du point de vue physique en quatre parties assez distinctes :
I. Méthodes électrostatiques.
II. Méthodes électrocinétiques.
III. Méthodes électroniques.
IV. Méthode de travail.
I. Les méthodes électrostatiques peuvent se subdiviser en trois séries suivant que la tension est déduite (a) de la force d'attraction, (b) de la charge induite, (c) de la pression électrostatique.
(a) Force d'attraction
Voltmètre Abraham(5) (Abraham, Villard)
" à langue de perroquet(6) (Thomson)
" à gaz comprimé(7) (Palm, Frank)
" Starke - Schröder(8)
" à sphères(9) (Sorenson, Mestor(10), Feldenkrais)
Electromètre Pellat
" Tehomyrsohoff(13) [nom incertain]
" à ellipsoïde(11) (Bjorknes, Thornton(12))
(b) Charge induite
Voltmètre rotatif(14) (Mathias, Kilpatrick(15))
(c) Pression électrostatique
Soupape de Pauthenier(16).
II. Les méthodes électrocinétiques peuvent aussi se subdiviser en trois séries : (a) à écoulement continu d'électricité, (b) à écoulement intermittent, (c) diviseurs de tension.
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(a) Ecoulement continu
Voltmètre à souffle ionique(17) (Thornton)
" à effet couronne(18) (Whitehead)
" à tube d'effluves(19) (Palm, Nyiri(20))
" à courant limité(21) (Toeppler)
(b) Ecoulement intermittent
Klydonograph(22)
Eclateurs à pointes
" à sphères
" à aiguilles
" à disques.
(c) Diviseurs de tension capacitifs
" à transformateurs
" à résistances.
III. Méthodes Electroniques.
Tube de Braun
Cellule de Kerr
Diffraction électronique
Spectre de rayon X
Accélération d'ions.
IV. Méthode de travail.
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Les Méthodes Electrostatiques
(a) Force d'attraction
La force d'attraction ou de répulsion se manifestant entre deux
surfaces soumises à une différence de potentiel, fut utilisée dès le début
pour la mesure de la tension entre ces surfaces. L'énergie électrique
emmagasinée dans le condensateur formé par les deux surfaces en
présence est donnée par
\[
\mathcal{E} = \tfrac{1}{2} C U^{2}.
\]
C étant la capacité du système, U la différence de potentiel supposée
constante entre les deux électrodes. On sait que si \(dx\) désigne une translation
infiniment petite d'une des armatures suivant une direction \(x\), la projection
sur \(Ox\) de la force électrique \(F\) qui agit sur l'armature est
\[
F = \frac{\partial \mathcal{E}}{\partial x} = \tfrac{1}{2} U^{2}\,\frac{\partial C}{\partial x}.
\]
On voit que la force d'attraction est proportionnelle au carré de
la tension entre les surfaces. Il suffit d'avoir des surfaces géométriques
simples pour pouvoir déduire la tension en unités absolues.
C'est le principe sur lequel sont basés les différents électro-
mètres ou voltmètres électrostatiques donnant la tension en unités pratiques.
Voltmètre Abraham-Villard
Un des plus anciens de ces appareils est celui d'Abraham-Villard(5).
Il est constitué par deux électrodes circulaires à bords arrondis placées
concentriquement l'une en face de l'autre sur des châssis isolants, en porcelaine
jusqu'à 50 kV, en tiges de bakélite pour des tensions supérieures. Ces
appareils portent généralement une échelle sur le bâti permettant d'écarter
les électrodes ou de les rapprocher de façon à adapter leur écartement à la
tension à mesurer. Au centre d'une des électrodes se trouve un petit disque
à bords rabattus qui forme l'équipage mobile. C'est lui qui, attiré par
l'électrode d'en face, avance en tendant un ressort qui le ramènera au zéro
quand l'effet de la tension est supprimé. Les déplacements de ce petit disque,
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qui pour un écartement donné des électrodes ne sont conditionnés que par la
tension aux bornes, sont transmis par un système de leviers à une aiguille
indiquant la tension en kV. L'avantage de ce genre d'appareils est de
donner une lecture directe et continue. Ils mesurent les tensions continues
aussi bien que les alternatives dont ils indiquent la valeur efficace. Mais
ils sont sensibles aux champs parasites, ce qui limite leur utilisation à des
tensions relativement faibles (300 kV). M. le Professeur Pauthenier a montré
que l'emploi du voltmètre Abraham-Villard rencontre des difficultés
au-dessus de 600 kV, et estime que les indications du
voltmètre ne correspondent plus à la formule ci-dessus à partir du moment où
l'air autour de l'appareil peut être considéré comme ionisé.
Voltmètre Starke-Schroeder
Un perfectionnement appréciable est l'appareil Starke-Schroeder(8)
dans lequel la partie mobile est abritée des champs étrangers et effectue une
rotation lue au moyen d'un tube de visée. Il est construit pour 400 kV.
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Deyriale(29) a proposé d'ajouter un condensateur sphérique et
Watanabe(30) un condensateur à air comprimé pour diminuer l'influence des
champs parasites.
Voltmètre à sphères — voir chapitre III
Electromètres
Les électromètres donnent en principe la valeur de la tension en
unités absolues par un passage de la force d'attraction se manifestant entre
les deux électrodes. Ils comportent alors un fléau de balance. En dehors
de nombreux dispositifs de précision conçus pour le laboratoire de recherches
comme l'électromètre Pellat et autres, il faut mentionner l'électromètre à
plaques à gaz comprimé signalé par Palm(31). L'appareil est contenu dans
un tube de fer à gaz comprimé et la force d'attraction s'exerçant sur
l'équipage mobile est équilibrée par un poids, ce qui permet de la déterminer
en unités absolues. L'appareil est plus précis que le voltmètre
électrostatique mais plus long à manipuler. Il est construit pour 300 kV.
La tension se déduit comme suit : le poids d'équilibrage agit avec la
force \(mg\) égale à la force d'attraction agissant sur la surface \(S\) sur
laquelle il y a une densité d'électricité \(\sigma\) ainsi
\[
mg = 2\pi\,\sigma^{2}\,S,
\]
or le champ entre les deux surfaces d'attraction séparées de \(d\) est
\[
E = \frac{V}{d} = 4\pi\sigma,
\]
d'où
\[
V = d\,\sqrt{\frac{8\pi\,mg}{S}}.
\]
Electromètre Tehomyrsohoff
Tehomyrsohoff a proposé(13) d'équilibrer la force d'attraction sur
l'équipage mobile par une bobine traversée par un courant. Connaissant les
caractéristiques de la bobine il suffit de mesurer le courant qui la traverse
pour connaître la force d'attraction en unités électriques. En réalité le
système est doublé : deux paires d'électrodes et deux paires de bobines sont
placées sur le même fléau. On démontre(7) que ce système a l'avantage de
régler l'équilibre du système par le seul réglage du courant dans les bobines
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La mesure est plus rigoureuse que dans l'appareil précédent où une inter-
vention manuelle est nécessaire pour l'obtenir. L'appareil est renfermé
dans une boîte à gaz comprimé à une pression de 75 atmos environ. Les
manipulations sont plus simples que dans le cas précédent et la précision
meilleure, mais son prix est très élevé. L'auteur cité indique une
précision de 0,05% pour 300 kV.
Electromètre ellipsoïdique
La méthode de mesure utilisée par Thornton(12)(32) est liée à
Bjorknes(11). Un ellipsoïde en métal léger gros comme une allumette est
suspendu sur un très long fil. L'ellipsoïde est placé entre deux
électrodes planes, circulaires à bords arrondis soumis à la tension à mesurer.
L'axe longitudinal de l'ellipsoïde est orienté dans la direction du champ
électrique uniforme. Par suite de l'action de ce champ l'ellipsoïde est
soumis à un couple qui le met en mouvement. Il est démontré(13) que le
nombre d'oscillations de l'ellipsoïde en une seconde \(f\) est proportionnel
au champ, et le couple moteur à son carré.
La tension est déduite de la formule suivante
\[
E = \frac{U}{d} = K\,\sqrt{n^{2} - n_{0}^{2}}.
\]
dans laquelle \(E\) est l'intensité du champ, \(U\) la tension, \(d\) la
distance entre électrodes, \(n\) le nombre d'oscillations par seconde de
l'ellipsoïde placé dans le champ, \(n_{0}\) le nombre d'oscillations de
l'ellipsoïde en dehors du champ électrique.
L'appareil donne les valeurs efficaces des tensions en unités
absolues avec une précision de 1/1000 d'après les auteurs qui ont utilisé
cette méthode pour la mesure du rapport entre unités électrostatiques et
électromagnétiques.
Cet appareil est généralement utilisé comme voltmètre, la constante
de l'appareil étant déterminée une fois pour toutes avec précision. Il est
connu, d'ailleurs, sous le nom de voltmètre à ellipsoïde.
Il peut être utilisé pour des tensions et des courants de très
courte durée. Sous l'impulsion d'une tension instantanée l'ellipsoïde devra
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d'un angle qui est fonction du produit du couple moteur et du temps de son
application. En déterminant le temps du choc peut déduire la tension et le
courant, en connaissant les caractéristiques du circuit.
(b) Charge induite, voir chapitre IV.
(c) Pression électrostatique, voir chapitre V.
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II Méthodes Electrocinétiques
(a) A Ecoulement Continu
Voltmètre à souffle ionique(17)
Une électrode chauffée constitue une des branches d'un pont de
Wheatstone. La présence d'une haute tension produit un "vent ionique"
refroidissant le fil chauffé, sa résistance change et le pont n'est plus
équilibré. La déviation du galvanomètre du pont est utilisée pour indiquer
la tension. Le système est surtout sensible pour indiquer la tension où le
refroidissement commence à agir. Ce dispositif est aussi employé pour
mesurer des tensions alternatives mais l'obtention de résultats précis devient
délicate.
Voltmètre à effet couronne(18)
L'apparition de la décharge par effet couronne sur un fil tendu
dans un cylindre dépend de la tension et de la pression suivant la loi de
Paschen. Pour mesurer une tension on fait baisser la pression jusqu'à
l'apparition de la décharge. Elle peut être décelée à vue, ou plus précise-
ment par un galvanomètre en série avec une batterie, ce circuit étant coupé à
l'intérieur du cylindre. Lors du déclenchement de la décharge l'air est
ionisé et la coupure devient conductrice et le déclenchement est observé au
galvanomètre.
A tube d'effluves(19,20)
Un tube rempli de gaz rare, néon ou autre, s'allume à une tension
bien constante. Palm et Nyiri ont fait usage de tels tubes s'allumant à 200
volts environ en les montant en parallèle avec un condensateur variable qui est
lui même servi d'un diviseur de tension. Les graduations du condensateur
peuvent se faire en kV.
A Courant Limité(21)
Toepler a étudié les passages d'une forme de décharge à une autre
dans l'air ambiant. Il a mesuré l'intensité du courant limite et la tension
correspondante. Cette méthode n'est employée qu'au laboratoire.
(b) Ecoulement Intermittant
Klydonograph(22)
Une pointe métallique placée sur une plaque isolante couvrant une
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plaque métallique permettent d'observer sur la pointe des décharges partielles
sous forme d'aigrettes. La forme et les dimensions des aigrettes, souvent
enregistrées sur des plaques photographiques, donnent une idée de l'ordre de
grandeur de la tension entre la pointe et la plaque métallique.
Eclateurs à sphères(33,34), à aiguilles, à disques
Une étude assez complète est publiée par Thornton(25).
La Commission Electrotechnique Internationale (C.E.I.) a choisi les
éclateurs à sphères comme méthode standard pour la mesure de hautes tensions
industrielles, mais il n'existe pas encore de méthode absolue générale et
infaillible susceptible de servir à l'étalonnage des autres méthodes.
Cette méthode de mesure de hautes tensions présente en effet de
nombreux inconvénients et sources d'erreur.
1. Peek(35) a montré qu'une tension beaucoup plus élevée est nécessaire
pour provoquer une décharge lorsque la tension est appliquée un temps très court
que lorsqu'elle est appliquée pendant un temps long.
(Avec des éclateurs à pointes ou aiguilles la différence peut être
du simple au double).
2. La tension est déduite d'une formule plus ou moins empirique (la
formule de Peek). Les étalonnages effectués dans des laboratoires
différents donnent des écarts de 10% environ. Ainsi dans le doute
on préfère encore la formule de Peek.
3. La mesure est discontinue, chaque lecture nécessite une manoeuvre
spéciale modifiant l'écartement des sphères jusqu'à l'éclatement qui
est généralement irrégulier et dû à une répétition de la manoeuvre ce
qui est fastidieux et ce qui est plus grave, le phénomène est troublé.
4. L'amorçage peut être supprimé en polissant l'endroit où il se produit
avec persistance. Pour des mesures précises il faut les recommencer
jusqu'à ce que l'éclateur n'ait plus des points de prédilection
persistants.
5. Lorsque la distance entre les sphères est supérieure à leur diamètre,
les éclateurs introduisent un nouveau facteur de perturbation qui
n'est plus à négliger de sorte que généralement on ne dépasse pas la
distance d'un diamètre.
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En signalant encore la dépendance de ces mesures de la température,
de la pression barométrique, de l'humidité et de l'ionisation et la nécessité
des grandes espaces on est amené à réserver cette méthode pour les essais
d'isolement et autres méthodes industrielles, car c'est un appareil simple et
robuste. Les prescriptions nouvelles du Congrès Elec. Int., 1935 sont
[mot biffé] dans la publication C.E.I. No. 52. Les nouvelles règles d'usage en Amérique
sont publiées dans E.E. 1936, p. 783.
(c) Diviseurs de Tension
Des dispositifs diviseurs de tension sont d'usage courant dans la
pratique industrielle. Des tensions de l'ordre de 250 kV ne présentent pas
de grandes difficultés. Ces dispositifs nécessitent évidemment des indicateurs
pour lire la tension.
Diviseurs capacitifs
Il faut des condensateurs à très faibles pertes. Il faut aussi que
le même courant, strictement, parcoure tous les éléments en série. L'emploi
d'un diviseur capacitif pour des mesures d'une tension continue est très
difficile. La tension a tendance à se diviser d'après la résistance des
éléments quand la tension atteint la valeur continue.
Diviseurs à résistances(36)
En courant alternatif et au delà de 150 kV, la capacité de la bobine,
qui croît avec les dimensions et le volume de l'isolement, prend des valeurs
dont on est obligé de tenir compte. De plus du fait que le bobinage doit être
peu inductif il devient très coûteux.
M. Joliot et M. Savol ont réalisé un tube de 7 mètres de longueur d'un
mélange d'alcool et de xylol avec deux électrodes en platine distants de 15 cm
du coté mis à la terre. Un vingtième de la tension devrait apparaître entre
les deux électrodes. Il était difficile de maintenir le mélange uniforme sur
toute la longueur du tube. Il avait aussi des fuites sur l'oxydryeur et le
dispositif fut abandonné sans insistance.
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Formule où \(B\) désigne la constante de Kerr. Connaissant \(B\) et \(\ell\) et mesurant \(\varphi\)
on peut par conséquent utiliser un montage de ce genre pour mesurer le champ
électrique \(E\).
\[
\frac{\varphi}{\pi} = \frac{\delta}{\lambda} = B\,\ell\,E^{2}.
\]
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III Méthodes Electroniques(37)
Il est impossible d'énumérer toutes les méthodes électroniques
même sommairement sans dépasser les limites modestes de notre travail. La
déviation d'un faisceau électronique par un champ électrique et magnétique
a donné naissance à un grand nombre de dispositifs permettant l'évaluation
de la vitesse des électrons du faisceau et par cela même de la tension qu'a
produit cette vitesse ou engendré la déviation.
Notons toutefois quelques méthodes employées directement pour la
mesure de tension ou plutôt pour étalonnage d'appareils de mesure à caractère
linéaire.
Tube de Braun
C'est le prototype du tube à rayons cathodiques. En appliquant un champ
électrique on obtient une déviation du faisceau de laquelle on déduit la vitesse
des électrons. La tension se déduit de la façon suivante :
\[
\text{[formule illisible sur la photo]}
\]
\(V\) étant la tension, \(e\) la charge d'un électron \((1{,}60226 \pm 0{,}00015)\cdot 10^{-20}\)
u.e.m. C.G.S., \(m_0\) sa masse au repos \((9{,}116 \pm 0{,}002)\cdot 10^{-28}\,g\),
\(C\) la vitesse de la lumière et \(v\) la vitesse des électrons.
Cellule de Kerr
Etant donné un liquide isolant entre électrodes parallèles, l'application
du champ électrique le rend généralement biréfringent; ses lignes neutres sont
respectivement parallèle et perpendiculaire au champ électrique \(E\). Si on fait
traverser le champ de longueur \(\ell\) par un faisceau lumineux parallèle aux armatures
et polarisé rectilignement à 45° au champ électrique, le faisceau émergent est en
général polarisé elliptiquement, les axes de l'ellipse étant à 45° du champ élec-
trique. Il est aisé de mesurer avec un quart d'onde le rapport \(\frac{b}{a} = \tg\varphi\) des
axes de l'ellipse. Or si on appelle \(\delta\) la différence de marche entre les \(\varepsilon\) compos-
[← voir]
Diffraction électronique
Un faisceau électronique subit une diffraction en traversant une lame
métallique mince. En enregistrant les anneaux de diffraction sur un film(28)
on détermine la longueur d'onde et l'on en déduit la tension traversée par le
faisceau.
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Spectre de Rayons X
Des rayons X sont émis par toute cible frappée d'électrons
suffisamment rapides. L'intensité des rayonnements croît avec le nombre
d'atomes de la cible. La dureté du rayonnement croît avec la vitesse des
électrons frappant la cible. Ainsi la dureté du rayonnement ou plus
précisément la longueur d'onde minima trouvée dans le rayonnement correspond
à la plus grande vitesse acquise par les électrons, or cette vitesse est
fonction de la différence de potentiel entre la source d'électrons et la cible.
Lorsque des électrons rapides frappent une cible deux rayonnements
sont émis. L'un a une variation continue de longueur d'onde dont l'étendue
et l'intensité sont fonction de la différence de potentiel agissant sur les
électrons dans leur parcours vers la cible. La limite inférieure des longueurs
d'onde dépend de la chute de potentiel sur le parcours des électrons. L'autre
rayonnement a des longueurs d'onde bien définies propres à la cible. Ce
rayonnement n'apparaît qu'au dessus d'une certaine valeur de tension et est
autrement indépendant d'elle.
C'est la plus petite longueur d'onde du spectre continue qui sert
à la mesure de tension. D'après la loi Duane et Hunt(38)
\[
V e = h\,\nu_{\max} = \frac{h c}{\lambda_{\min}}.
\]
\(V\) étant la différence de potentiel appliquée au tube, \(\nu_{\max}\) et \(\lambda_{\min}\)
la fréquence et la longueur d'onde de la plus petite longueur d'onde observée.
La longueur d'onde est déterminée en valeur absolue de la manière la plus
précise par le spectre de diffraction d'un réseau tangent de période géométrique \(d\).
On obtient des renforcements dans des directions \(\varphi\) d'après la loi
\[
n\,\lambda = d\,(\cos\theta - \cos\varphi)
\]
\(\theta\) étant l'angle d'incidence et \(\varphi\) l'angle de diffraction, \(n = 0, \pm 1, \pm 2, \pm 3\) etc.
\(\theta\) et \(\varphi\) sont très petits. Les cosinus près de l'unité variant
très lentement, \(\varphi\) est sensiblement différent pour des divers ordres du spectre
malgré l'énorme différence entre \(d\) et \(\lambda\). La technique de Howe(38a) permet
d'obtenir des lignes très fines et bien définies.
— — —
- 17 -
Vue d'ensemble
Parmi les méthodes revues, il n'y a que les suivantes qui furent
actuellement employées pour la mesure directe des tensions dépassant un million
de volts, notamment : le voltmètre à sphères (Mester), le voltmètre à
ellipsoïde (Thornton), éclateurs à sphères et le klydonograph. Toutes les
autres méthodes nécessitent des diviseurs de tension capacitifs ou résistifs
dont une partie d'environ 250 kV seulement est mesurée directement. On
trouve deux exceptions à cette généralisation, le Voltmètre Abraham-Villard
(500 kV) et Starke-Schroeder (500 kV).
Pour la mesure directe des tensions beaucoup plus élevées dépassant
un million de volts et spécialement dans le cas d'appareils tels que le Van de
Graaf où les éclateurs déchargeraient l'appareil juste au moment intéressant et
le klydonograph est sans utilité pratique, on n'est amené à considérer que
le voltmètre à sphères, le voltmètre rotatif et la méthode de travail. Toutes
ces méthodes peuvent être employées pendant l'utilisation de l'appareil sans
rien changer à son fonctionnement. La soupape électrostatique est un
instrument utile pour un étalonnage absolu à des tensions élevées.
— — —
- 18 -
CHAPITRE III
Electromètre à torsion sphérique
Description de l'appareil (Fig. 1)
Une sphère en aluminium (B) dans laquelle est vissée une barre métallique (D) portant un petit poids (P) dont le déplacement permet d'équilibrer l'ensemble sur le fil de suspension (f) constitue la partie essentielle de l'appareil. L'extrémité libre de la barre est prolongée par un fil de soie placé sur la jante d'une roue de bicyclette (C), une boîte (T) est suspendue au bout de ce fil. La quantité d'eau nécessaire pour équilibrer l'appareil dans la position verticale du fil de suspension (f) de l'ensemble plus le poids de la boîte et de ses attaches présente la force d'attraction qui s'exerce entre les sphères A et B.
Pour faciliter l'amortissement des oscillations autour de la position d'équilibre la boîte (T) est placée dans un autre d'un diamètre légèrement supérieur (H). Pour rendre l'amortissement plus efficace la boîte (T) est prolongée par un cylindre en tôle soudé à sa base de façon à augmenter les surfaces de frottement pendant le déplacement des boîtes. C'est le dispositif classique utilisé par P. Curie dans sa balance.
La roue de bicyclette est placée sur son axe et portée par sa fourche montée dans un pied télescopique permettant de régler la barre portant la sphère et le fil porte-poids sur l'horizontale.
Un index fixé sur la vis permettant de serrer le petit poids de réglage P, donne l'écartement de la position d'équilibre. Dans la pratique on cherche à amener l'index sur le repère zéro afin de maintenir l'écartement entre les sphères A et B à la distance pour laquelle les calculs ont été faits.
Pour mettre la sphère B au sol on serre un fil très fin et souple, avec la vis de serrage du poids P à la barre, il est déroulé ensuite sur un bras de guidage latéral et descend le long du pied télescopique vers une bonne terre.
L'expérience a prouvé qu'une sphère en aluminium de 0,2 mm d'épaisseur était trop légère et trop sensible. Les amplitudes furent trop grandes et trop brusques. La force d'attraction était en effet de 750 grammes environ et nous
— — —
- 19 -
avons décidé d'augmenter le poids de l'ensemble jusqu'à 5 kilos environ pour obtenir des oscillations suffisamment lentes et d'amplitude raisonnable permettant des lectures aisées et bien conservatrices. Un raccourcissement de la longueur du pendule égalait dans le même [suite illisible sur la photo].
Etude
La force d'attraction qui se manifeste entre une sphère chargée et une autre métallique à elle mise au sol est proportionnelle au carré de la tension appliquée. C'est Lord Kelvin, encore William Thomson(6), qui a indiqué la marche de conduite le mieux pour trouver le facteur de cette proportionnalité qui est fonction des diamètres des sphères et de leur distance mutuelle.
Voici les conditions théoriques découlant de l'électrostatique qui permettent de (formuler et résoudre) la force d'attraction entre les sphères.
Une charge ponctuelle (q) éloignée de tout autre corps produit en un point (S) distant de (r) un potentiel V tel que
\[
V = \frac{q}{r}
\]
Ce potentiel devient nul pour \(r = \infty\). C'est la seule condition que doit remplir l'équation du potentiel dans ce cas.
Si l'on place la charge (q) près d'une sphère métallique mise au sol, l'équation de potentiel doit aussi satisfaire la condition supplémentaire de devenir une surface équipotentielle de potentiel zéro en tout point (S) sur la sphère.
Si l'on place la charge (q) près d'une sphère conductrice isolée, les conditions à satisfaire sont que le potentiel en tout point (S) sur la sphère soit constant et que la charge totale induite sur la sphère soit nulle.
Supposons une sphère (B) de centre O et un point P hors sphère, où est placée une charge (q).
Sur la ligne OP (voir Fig. 2) joignant le point P au centre de la circonférence O on peut trouver un point P' tel que sa distance \(d\) du centre soit
\[
\frac{a}{d} = \frac{f}{a} \quad \text{autrement dit} \quad d = \frac{a^{2}}{f}
\]
On a ainsi deux triangles PSO et P'S'O dans lesquels
— — —
- 20 -
\[
r = \sqrt{a^{2} + f^{2} - 2 a f \cos \theta}
\]
et
\[
r' = \sqrt{a^{2} + d^{2} - 2 a d \cos \theta}
\]
en remplaçant \(d\) par sa valeur \(\frac{a^{2}}{f}\)
\[
r' = \sqrt{a^{2} + \frac{a^{4}}{f^{2}} - 2 \frac{a^{3}}{f} \cos \theta}
= \frac{a}{f}\sqrt{a^{2} + f^{2} - 2 a f \cos \theta}
\]
d'où \(r' = \frac{a}{f} r\) ou encore \(\frac{1}{r} = \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\)
le rapport \(\frac{a}{f}\) étant constant ceci reste vrai pour tout point S sur la sphère.
La sphère étant supposée mise au sol son potentiel est zéro mais l'on trouvera une charge induite sur la sphère due à la présence de la charge (q) en P. La charge induite sur la sphère se distribue d'une façon telle que le potentiel en tout point S sur la sphère est égal à zéro. Il est impossible de trouver cette distribution mais l'on peut trouver l'expression d'une charge (q') placée en un point à l'intérieur de la sphère qui donnerait un résultat final équivalent à cette distribution.
En effet, supposons une charge
\[
q' = - \frac{a}{f}\, q
\]
placée au point P' à l'intérieur de la sphère, défini comme plus haut, c'est-à-dire que
\[
\frac{1}{r} = \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}
\]
l'expression du potentiel en un point S sur la sphère sera
\[
V = \sum \frac{q}{r} = \frac{q}{r} + \frac{q'}{r'}
= q\left[\frac{1}{r} - \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\right]
= q\left[\frac{a}{f}\,\frac{1}{r'} - \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\right] = 0
\]
Une charge \(q' = - \frac{a}{f} q\) placée en P' à \(d = \frac{a^{2}}{f}\) du centre de la sphère est donc bien équivalente à la distribution vraie de la charge induite sur la sphère par la charge (q) en P.
P' est l'image électrique de P et l'expression ci-dessus définit complètement le champ à l'extérieur de la sphère mise au sol.
Ainsi le champ à l'extérieur d'une sphère mise au sol, dû à celle-ci et à la charge ponctuelle placée dans son voisinage est identique au champ
— — —
- 21 -
produit par la charge elle même et son image électrique \(q'\) placée en P'.
Ce raisonnement peut être étendu au cas d'une sphère isolée A au potentiel V dont le centre est en P au lieu d'une charge ponctuelle.
On sait, en effet, que le champ à l'extérieur d'une sphère isolée de capacité C au potentiel V est équivalent au champ que produirait une charge \(q_{1} = C V\) placée dans son centre. Si le rayon de la sphère A est égal à a, \(q_{1} = a V\).
Supposons maintenant deux sphères identiques A et B, A étant isolée et au potentiel V, B étant au sol, leurs rayons étant a, et C étant la distance entre les deux centres; le champ dû à \(q_{1} = a V\) est déformé par la présence de B mise au sol qui garde toujours le potentiel zéro en cumulant une certaine charge à sa surface. Nous avons vu plus haut que cette charge peut être remplacée par une charge ponctuelle \(q_{2} = - \frac{a}{C} q_{1}\), placée à \(d_{2} = \frac{a^{2}}{C}\) du centre de la sphère B, elle rétablit la tension zéro à sa surface. Il est évident que la présence de cette charge sur la sphère B influence à son tour la distribution sur la sphère A et cette influence équivaut à l'action d'une nouvelle charge ponctuelle \(q_{3}\), qui est l'image électrique de \(q_{2}\), et qui doit être placée à \(d_{3} = \frac{a^{2}}{C - d_{2}}\) au centre de A.
Par ce raisonnement on voit que la distribution réelle des charges sur les deux sphères peut être remplacée par une double série d'images, une dans la sphère A du signe de \(q_{1}\), l'autre en B du signe \(-q_{1}\), à des distances \(d_{1}, d_{2}\), etc. de centres respectifs des sphères.
Le terme général de ces séries est :
\[
q_{n} = \frac{a}{C - d_{n-1}}\, q_{n-1}
\]
\[
d_{n} = \frac{a^{2}}{C - d_{n-1}}
\]
L'attraction entre les deux sphères est égale à la somme des forces exercées entre chacune des charges placées dans la sphère B avec toutes les charges de A.
La force exercée entre deux charges \(q_{n-1}\) et \(q_{n}\) séparées par la distance \(f\) est
\[
F = \frac{q_{n-1} \times q_{n}}{f^{2}}
\]
La force totale sera alors
\[
F = \sum_{(n)}^{\infty}\sum_{(n-1)}^{\infty}\frac{q_{n-1} \times q_{n}}{(C - d_{n-1} - d_{n})^{2}}
\]
— — —
- 22 -
La distance (C) entre les centres des sphères étant forcément \(\ge 2a\) (a étant le rayon des sphères) le n-ième terme est beaucoup plus petit que le \((n-1)\)-ième et la série obtenue est rapidement convergente.
Le résultat de calculs porte sa notation sous la forme commode
\[
F(\text{dynes}) = 0,1375\, S\, V^{2}
\]
(\(V\) en unités électrostatiques)
S est un facteur ne dépendant que de l'intervalle entre les sphères. En unités pratiques on obtient
\[
V(\text{volts}) = 9,405\,\sqrt{\frac{F(\text{gr})}{S(\text{cm})}}
\]
Voici le facteur d'espacement S pour deux sphères identiques de rayon \(a = 50\) cm.
intervalle (cm) S
0 \(\infty\)
5 1,13812
10 0,52852
15 0,32917
20 0,23159
25 0,17252
30 0,13696
35 0,11082
40 0,09274
45 0,07720
intervalle (cm) S
50 0,06592
55 0,05693
60 0,04965
65 0,04363
70 0,03865
75 0,03441
80 0,03084
85 0,02775
90 0,02509
95 0,02278
100 0,02075
Calcul des forces d'attraction entre deux sphères A et B de rayon \(a = 50\) cm, séparées de 30 cm. La distance entre centres est donc \(50 + 50 + 30 = 130\) cm.
Sphère A au potentiel V Sphère B au potentiel 0
\(q_{1} = aV\) \(d_{1} = 0\) cm \(q_{2} = -0,385aV\) \(d_{2} = 19,2\) cm
\(q_{3} = 0,174aV\) \(d_{3} = 22,6\) cm \(q_{4} = -0,086aV\) \(d_{4} = 23,2\) cm
\(q_{5} = 0,0378aV\) \(d_{5} = 23,4\) cm \(q_{6} = -0,0177aV\) \(d_{6} = 23,45\) cm
\(q_{7} = 0,00833aV\) \(d_{7} = 23,5\) cm \(q_{8} = -0,00393aV\) \(d_{8} = 23,55\) cm
\[
F = \frac{q_{1}q_{2}}{(130 - d_{2})^{2}} + \frac{q_{3}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{3})^{2}} + \frac{q_{5}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{5})^{2}} + \frac{q_{7}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{7})^{2}} + \cdots
\]
— — —
- 23 -
\[
+ \frac{q_{1}q_{4}}{(130 - d_{4})^{2}} + \frac{q_{3}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{3})^{2}} + \frac{q_{5}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{5})^{2}} + \frac{q_{7}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{7})^{2}} + \cdots
\]
Dans le cas où les sphères sont de rayons différents, la sphère A étant de rayon a et la sphère B de rayon b, les séries précédentes s'écrivent :
\[
q_{1} = aV \qquad d_{1} = 0
\]
\[
q_{3} = \frac{a}{C - d_{2}}\, q_{2} \qquad d_{3} = \frac{a^{2}}{C - d_{2}}
\]
\[
q_{5} = \frac{a}{C - d_{4}}\, q_{4} \qquad d_{5} = \frac{a^{2}}{C - d_{4}}
\]
\[
q_{2} = -\frac{b}{C - d_{1}}\, q_{1} \qquad d_{2} = \frac{b^{2}}{C}
\]
\[
q_{4} = -\frac{b}{C - d_{3}}\, q_{3} \qquad d_{4} = \frac{b^{2}}{C - d_{3}}
\]
\[
q_{6} = -\frac{b}{C - d_{5}}\, q_{5} \qquad d_{6} = \frac{b^{2}}{C - d_{5}}
\]
Pour que la sphère auxiliaire de rayon r mise à terre n'augmente pas les effluves, il faut qu'elle soit placée à une certaine distance de la sphère chargée de rayon R.
Cette distance d est égale à la distance entre les deux centres \(f = R + r + d\), (\(f\) étant la distance des centres) qui conduit à des champs égaux sur la surface des sphères.
En ne prenant que le premier terme de la série ci-dessus on trouve pour le champ à l'extérieur de r
\[
\frac{Q}{r f}
\]
et pour celui de la sphère R
\[
\frac{Q}{R^{2}}
\]
Ainsi :
\[
r f \ge R^{2}
\]
\[
r(R + r + d) \ge R^{2}
\]
d'où
\[
d \ge \frac{R^{2}}{r} - (R + r) \ge \frac{50^{2}}{25} - (50 + 25) \ge 25 \text{ cm.}
\]
avec \(R = 2r = 50\) cm dans notre cas.
Nous avons adopté une séparation de 30 cm et ultérieurement 40 cm.
— — —
- 24 -
Dans le premier cas
\[
V(\text{volts}) = 3,11 \times 10^{4}\,\sqrt{F(\text{grammes})}
\]
et dans le deuxième
\[
V(\text{volts}) = 3,803 \times 10^{4}\,\sqrt{F(\text{grammes})}
\]
d = 30 cm d = 40 cm
F(gr) V(kV) F(gr) V(kV)
1 31,1 1 38,3
4 62,2 4 76,06
9 93,3 9 114,09
16 124,4 16 152,12
25 155,5 25 190,15
100 311,0 81 342,0
225 466,5 100 380,3
400 622,0 169 494,0
625 777,5 225 575,45
900 933,0 300 658
1034 1000,0 400 760,6
500 850
625 950,75
691,4 1000,0
THESES
submitted
To the Faculty of Sciences of the University of Paris
for the purpose of obtaining
the degree of ENGINEER-DOCTOR
by
Mr. FELDENKRAIS
Graduate Engineer, E.E.P.
1st THESIS — On the measurement of very high voltages
of electrostatic generators of the
Van de Graaff type.
2nd THESIS — Propositions given by the Faculty.
Mr. M. PAUTHENIER — President
Mrs. I. JOLIOT-CURIE } Examiners
Mr. R. LUCAS
— — —
FOREWORD
I venture to ask the Jury’s indulgence on two points:
(1) This work was done in Paisley, a small town to the west of Scotland;
it was typed on an English machine by an Englishwoman. Thus a certain number of
mistakes were added to those for which I myself am responsible.
(2) This work has therefore lost some of its topicality. The preparation of this
thesis was, in fact, complete toward the end of 1939. The present version is a
reconstruction made recently in part from the publications in the Comptes Rendus
and in the Journal de Physique et du Radium that I produced in collaboration
with our teachers as the work progressed, and in part from scattered documents
that I was able to recover. A fallible memory did the rest.
Thus the present text has neither the scope nor the careful documentation
of the original work.
Part of the documentation that I accumulated over several years of work was
abandoned along with my belongings—of my own accord—in the following circumstances.
I left Bordeaux on 22 June 1940 under orders of mission from the Ministry of
National Education, delegated by Mr. Moriolez, Dean of the Faculty of Sciences of
Bordeaux. I was ordered to embark at Bayonne for England and to carry three
suitcases of secret “Centro” documents which he believed essential to remove from
inspection by the enemy, who was at the gates of the city.
With the enemy advancing rapidly I was only able to embark at St-Jean-de-Luz
on the last boat. The captain’s order was to leave all baggage and embark persons
only. I managed, under dramatic circumstances, thanks to the commander of the
squadron escorting the ship, to obtain an exception for the three suitcases.
Of my effects abandoned on the coast I kept only a briefcase containing
documents which, by happy chance, were among the few pieces of baggage brought at
the last moment onto the ship after the people had embarked.
Professor J. D. Bernal, a devoted friend of my teacher Mr. Paul Langevin
(I was a collaborator in Group 4 at Centre carte No. 924) and Lord Suffolk of the
British Scientific Mission to the Government of the Republic did everything
possible to allow me to carry out my mission despite complications and great
material difficulties.
Attached: a reproduction of the mission order in question.
Paris, 28 October 1945.
UNIVERSITY OF BORDEAUX
FACULTY OF SCIENCES
DEAN’S OFFICE
National Center for Scientific Research
— — —
Bordeaux, 21 June 1940
Mission Order
Mr. FELDENKRAIS, Moshe, British subject, collaborator of the National Center for Scientific Research, and his family, will travel to Bayonne on 21 June 1940 in order to embark for England.
He will carry documents intended for the Director of Scientific Research and will deposit them at the Embassy of France in London.
In the event that he cannot embark, he will join the laboratories group in Toulouse.
The Minister of National Education
By delegation:
The Director,
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TABLE OF CONTENTS
INTRODUCTION ............................................. 1
CHAPTER I Preliminaries .............................. 2
CHAPTER II Review of methods for measuring high
voltages .................................... 5
CHAPTER III Spherical-pendulum voltmeter ................ 13
CHAPTER IV Rotating voltmeter .......................... 25
CHAPTER V Electrostatic valve .......................... 30
CHAPTER VI “Method of the work” ........................ 32
CHAPTER VII The use of CO₂ in high-voltage technique .... 37
CHAPTER VIII Conclusions ................................. 40
— — —
CHAPTER I
PRELIMINARIES
The voltages of large power networks are still, for the most part, below 500 kV. One rarely measures the transmission voltages themselves. In insulation tests, voltages on the order of the MV are used. The measurement of voltages on the order of 10 MV has become commonplace in nuclear-physics laboratories. For the physicist, measuring such voltages presents no great difficulty. Indeed, measurement of the energies of accelerated ions, X‑ray spectra, and methods borrowed from electron optics make it possible to obtain fairly precise values of the voltages employed.
These methods have the drawback of not being usable for continuous measurements. They therefore most often serve to calibrate a more or less industrial instrument.
After the discovery of artificial radioactivity, many physicists called for installations to produce radioactive isotopes. The high voltages required also make possible the production of very penetrating X‑rays.
The use of carbon tetrachloride, freon, and other vapors under pressure makes it possible to reduce the dimensions of high‑voltage generating apparatus. The construction of large buildings that were formerly necessary to house such equipment—where this gas is no longer indispensable—still leaves, today, a method employing portable apparatus for producing high voltage.
Thus the measurement of very high voltages has become a more or less industrial necessity. Laboratory methods prove impractical:
1. because highly qualified personnel are indispensable,
2. results are known only long after the measurement,
3. measurements are not continuous but made at separate instants.
Modern high‑voltage generators are of the Van de Graaff or Pauthenier type. In these devices the voltage is limited by leakage, which increases rapidly with voltage. It is therefore essential that the voltage‑measuring instrument not draw power from the source. If this condition is not met, the instrument does not provide the service required.
Most common high‑voltage measurement procedures are impracticable when dealing with a generator with a sensitive output, like the Van de Graaff. Besides the condition that the measuring device should absorb essentially no power, the device must also not increase leakage by its presence. Indeed, nearby conductors increase leakage via corona (aigrettes) or invisible discharge as soon as their surface field exceeds a certain value.
If the grounded conductor has a point of radius of curvature \(r\), it should be placed at a distance greater than \(d\) computed as follows\(^2\). The field at the surface of a sphere of radius \(R\) is \(Q/R^2\); that at the tip of the conductor is \(Q/(r d)\). For the latter to be less than that of the sphere, one must have
\(r d > R^2\) or \(d > \frac{R^2}{r}\).
One sees that \(d\) is very large; if this condition were absolutely rigorous, one would build gigantic buildings needed to house a high‑voltage apparatus. In practice, much smaller distances are tolerated because conditions are more favorable when conductors are not too far apart.
Thus measuring instruments must be placed far from the charged electrode and also sufficiently far from the walls.
Rejecting methods that satisfy these conditions, only a small number remain to consider: the sphere electrometer used as a pendulum, Pauthenier’s electrostatic valve, Kilpatrick’s rotating voltmeter, and the “method of the work” proposed by ourselves.
The construction of the apparatus and a comparative study of these four methods is the subject of the present work.
During the development of the Van de Graaff built (1938) … and his collaborators, Mr. Joliot at the laboratories of the École Spéciale des Travaux Publics at Cachan, the generator operating … made possible the discovery of the effect of carbon tetrachloride on the generator voltage in air and oils. This discovery allows a notable increase in voltage. It was quickly followed, as we had foreseen, by the discovery of a whole series of vapors having the same effect, in particular freon. This discovery was made in the course of our work for the present thesis, and that is why we allow ourselves to discuss it in some detail in the last pages.
CHAPTER II
Review of Methods for Measuring High Voltages
The growing popularization of the different methods of high‑voltage measurement is not easy. A. Wolf and K. Drossbach presented an account of the current state of the question. A. Pinkus provided a fairly complete table according to the possibilities of use in continuous service or discontinuous service.
It seems preferable and more useful to divide the set of measurement methods, from the physical point of view, into four parts:
I. Electrostatic methods.
II. Electromagnetic methods.
III. Electronic methods.
IV. The “method of the work”.
I. Electrostatic methods can be subdivided into three series depending on whether the voltage is deduced (a) from the force of attraction, (b) from induced charge, (c) from electrostatic pressure.
(a) Force of attraction
Abraham voltmeter (Abraham, Villard)
“parrot‑tongue” type (Thomson)
compressed‑gas type (Fahr Frank)
Bénard–Schœner
sphere type (Sorensen, Luxor, Feldenkrais)
Tallant electrometer
“Volumenzuwachs”
ellipsoid type (Bjerknes, Thornton)
(b) Induced charge
rotating voltmeter (Smith, Kilpatrick)
(c) Electrostatic pressure
work of Pauthenier
II. Electromagnetic methods can also be subdivided into three series: (a) continuous current flow, (b) intermittent flow, (c) voltage divider.
— — —
- 3 -
Modern high-voltage generators are often of the Van de Graaff or Pauthenier type. The voltage in these devices is limited
by leakages which increase rapidly with it. It is essential, then, that the voltage-measuring device draw no power from
the source. If this condition is not satisfied, the instrument does not render the services demanded of it.
Most common high-voltage measuring procedures are impracticable
when dealing with a generator of sensitive output such as the Van de
Graaff. For, apart from the condition that the power absorbed by the measuring
device must here be rigorously small, it is also necessary that the measuring
device not increase the leakages by its mere presence. Indeed, the proximity of
conductors increases leakages by “aigrettes” (or invisible discharge) as soon as
their surface field exceeds a certain value.
If the grounded conductor has a point with radius of curvature r, it
would have to be placed at a distance greater than d, calculated as follows(2).
The field at the surface of a sphere of radius R is \(\frac{Q}{R^2}\); that at the point of the
conductor is \(\frac{Q}{r d}\). For the latter to be less than that of the sphere, one must have
\[
r d > R^2 \quad \text{or} \quad d > \frac{R^2}{r}.
\]
One then sees that d is very large, and if this condition were absolutely
rigorous, gigantic buildings would be necessary to house a high-voltage
apparatus. In practice, notably smaller distances are tolerated because the
conditions are more favorable when conductors are close to walls.
Thus measuring instruments must be placed far from the charged
electrode and also sufficiently far from the walls.
Rejecting the methods that do not satisfy the conditions listed above,
there remain only a few methods to consider. Among these are the sphere electrometer,
which we used as a pendulum, Pauthenier’s electrostatic valve, Kilpatrick’s rotating
voltmeter, and the work method proposed by ourselves.
— — —
- 4 -
The construction of the instruments and the comparative study of these four methods are the object of the present work.
During the development of the Van de Graaff built (1938) by M. Joliot and his collaborators, in the laboratories of the École Spéciale des Travaux Publics at Cachan, the operation of the apparatus led to the discovery of the effect of carbon tetrachloride on the air breakdown voltage and on leakages(1).
This discovery allows a notable increase of the voltage. It was rapidly followed, as we explain further on, by the discovery of an entire series of vapors having the same effect, and in particular Freon. This discovery was made in the course of our work for the present thesis; that is why we allow ourselves to speak of it with a few details in the final pages.
— — —
- 5 -
CHAPTER II
Review of Methods for Measuring High Voltages
A systematic classification of the different high-voltage measurement methods is not easy. A. Jolley(3) and K. Derenwowski(4) have made a report on the current state of the question. A. Pink drew up a fairly complete table based on the possibilities of use in routine service or demonstration.
It seems preferable and more useful to divide the whole set of measurement methods, from the physical point of view, into four fairly distinct parts:
I. Electrostatic methods.
II. Electrokinetic methods.
III. Electronic methods.
IV. Work method.
I. Electrostatic methods can be subdivided into three series, according to whether the voltage is deduced (a) from the attraction force, (b) from induced charge, (c) from electrostatic pressure.
(a) Attraction force
Abraham voltmeter(5) (Abraham, Villard)
” with “langue de perroquet”(6) (Thomson)
” with compressed gas(7) (Palm, Frank)
” Starke–Schröder(8)
” with spheres(9) (Sorenson, Mestor(10), Feldenkrais)
Pellat electrometer
” Tehomyrsohoff(13) [name uncertain]
” ellipsoid type(11) (Bjorknes, Thornton(12))
(b) Induced charge
Rotating voltmeter(14) (Mathias, Kilpatrick(15))
(c) Electrostatic pressure
Pauthenier valve(16).
II. Electrokinetic methods can also be subdivided into three series: (a) continuous flow of electricity, (b) intermittent flow, (c) voltage dividers.
— — —
- 6 -
(a) Continuous flow
Ionic-blast voltmeter(17) (Thornton)
” corona-effect voltmeter(18) (Whitehead)
” effluve-tube voltmeter(19) (Palm, Nyiri(20))
” limited-current voltmeter(21) (Toeppler)
(b) Intermittent flow
Klydonograph(22)
Point gaps
” sphere gaps
” needle gaps
” disk gaps.
(c) Capacitive voltage dividers
” with transformers
” with resistances.
III. Electronic methods.
Braun tube
Kerr cell
Electron diffraction
X-ray spectrum
Ion acceleration.
IV. Work method.
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- 7 -
Electrostatic Methods
(a) Attraction force
The force of attraction or repulsion that appears between two
surfaces subjected to a potential difference was used from the outset
to measure the voltage between these surfaces. The electrical energy
stored in the capacitor formed by the two surfaces is given by
\[
\mathcal{E} = \tfrac{1}{2} C U^{2}.
\]
C being the capacitance of the system, U the potential difference assumed
constant between the two electrodes. It is known that if \(dx\) denotes an infinitely
small translation of one of the plates along a direction \(x\), the projection
on \(Ox\) of the electric force \(F\) acting on the plate is
\[
F = \frac{\partial \mathcal{E}}{\partial x} = \tfrac{1}{2} U^{2}\,\frac{\partial C}{\partial x}.
\]
One sees that the attraction force is proportional to the square of
the voltage between the surfaces. It suffices to have geometrically
simple surfaces in order to deduce the voltage in absolute units.
This is the principle on which the various electrostatic electrometers
or voltmeters giving the voltage in practical units are based.
Abraham–Villard voltmeter
One of the oldest of these instruments is that of Abraham–Villard(5).
It consists of two circular electrodes with rounded edges placed
concentrically face to face on insulating frames—porcelain up to 50 kV,
bakelite rods for higher voltages. These devices generally carry a scale on
the frame allowing the electrodes to be separated or brought closer so as to
adapt their spacing to the voltage to be measured. At the center of one of the
electrodes there is a small disk with turned-down edges that forms the moving
assembly. It is this disk which, attracted by the opposite electrode, advances
while stretching a spring that brings it back to zero when the effect of the
voltage is suppressed. The displacements of this small disk,
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- 8 -
which, for a given electrode spacing, depend only on the terminal voltage, are transmitted by a system of levers to a pointer
indicating the voltage in kV. The advantage of this type of instrument is to
give a direct and continuous reading. It measures DC voltages as well as AC
voltages, for which it indicates the RMS value. But it is sensitive to stray
fields, which limits its use to relatively low voltages (300 kV). Prof. Pauthenier
showed that the use of the Abraham–Villard voltmeter meets difficulties
above 600 kV, and he considers that the indications of the voltmeter no longer
correspond to the above formula from the moment when the air around the apparatus
can be considered ionized.
Starke–Schroeder voltmeter
An appreciable improvement is the Starke–Schroeder instrument(8),
in which the moving part is shielded from external fields and performs a
rotation read by means of a sighting tube. It is built for 400 kV.
— — —
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Deyriale(29) proposed adding a spherical capacitor, and Watanabe(30) a compressed-air capacitor, to reduce the influence of stray fields.
Sphere voltmeter — see Chapter III
Electrometers
In principle, electrometers give the value of the voltage in absolute units by making use of the attraction force that appears between the two electrodes. They therefore include a balance beam. Apart from many precision devices designed for the research laboratory—such as the Pellat electrometer and others—one must mention the compressed-gas plate electrometer reported by Palm(31). The apparatus is contained in an iron tube filled with compressed gas, and the attraction force exerted on the moving assembly is balanced by a weight, which makes it possible to determine it in absolute units. The instrument is more precise than the electrostatic voltmeter but takes longer to operate. It is built for 300 kV.
The voltage is deduced as follows: the balancing weight provides a force \(mg\) equal to the attraction force acting on the surface \(S\) on which there is an electric surface density \(\sigma\), thus
\[
mg = 2\pi\,\sigma^{2}\,S,
\]
and the field between the two attracting surfaces separated by \(d\) is
\[
E = \frac{V}{d} = 4\pi\sigma,
\]
hence
\[
V = d\,\sqrt{\frac{8\pi\,mg}{S}}.
\]
Tehomyrsohoff electrometer
Tehomyrsohoff proposed(13) balancing the attraction force on the moving assembly by a coil traversed by a current. Knowing the characteristics of the coil, it suffices to measure the current that passes through it in order to know the attraction force in electrical units. In reality the system is doubled: two pairs of electrodes and two pairs of coils are placed on the same balance beam. It is shown(7) that this system has the advantage of adjusting the equilibrium of the system by the sole adjustment of the current in the coils.
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The measurement is more rigorous than in the preceding instrument, where a manual intervention is necessary to obtain it. The apparatus is enclosed
in a compressed-gas box at a pressure of about 75 atmospheres. The manipulations are simpler than in the preceding case and the precision better,
but its cost is very high. The cited author indicates a precision of 0.05% for 300 kV.
Ellipsoidal electrometer
The measurement method used by Thornton(12)(32) is related to Bjorknes(11). A light metal ellipsoid, about the size of a match, is suspended from a very long wire. The ellipsoid is placed between two plane electrodes, circular with rounded edges, subjected to the voltage to be measured. The longitudinal axis of the ellipsoid is oriented in the direction of the uniform electric field. Under the action of this field the ellipsoid is subjected to a torque that sets it in motion. It is shown(13) that the number of oscillations of the ellipsoid in one second \(f\) is proportional to the field, and the driving torque to its square.
The voltage is deduced from the following formula:
\[
E = \frac{U}{d} = K\,\sqrt{n^{2} - n_{0}^{2}}.
\]
in which \(E\) is the field intensity, \(U\) the voltage, \(d\) the distance between electrodes, \(n\) the number of oscillations per second of the ellipsoid placed in the field, and \(n_{0}\) the number of oscillations of the ellipsoid outside the electric field.
The apparatus gives RMS values of voltages in absolute units with a precision of 1/1000, according to the authors who used this method to measure the ratio between electrostatic and electromagnetic units.
This apparatus is generally used as a voltmeter, the constant of the instrument being determined once and for all with precision. It is known, moreover, under the name “ellipsoid voltmeter.”
It can be used for very short-duration voltages and currents. Under the action of an instantaneous voltage, the ellipsoid will have to
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of an angle that is a function of the product of the driving torque and the time during which it is applied. By determining the duration of the impulse, one can deduce the voltage and the current, knowing the characteristics of the circuit.
(b) Induced charge, see Chapter IV.
(c) Electrostatic pressure, see Chapter V.
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II Electrokinetic Methods
(a) Continuous Flow
Ionic-blast voltmeter(17)
A heated electrode forms one branch of a Wheatstone bridge. The presence of a high voltage produces an “ionic wind” that cools the heated wire; its resistance changes and the bridge is no longer balanced. The deflection of the bridge galvanometer is used to indicate the voltage. The system is especially sensitive for indicating the voltage at which the cooling begins to act. This device is also used to measure alternating voltages, but obtaining precise results becomes delicate.
Corona-effect voltmeter(18)
The appearance of corona discharge on a wire stretched inside a cylinder depends on the voltage and the pressure according to Paschen’s law. To measure a voltage, the pressure is lowered until the discharge appears. It can be detected visually, or more precisely by a galvanometer in series with a battery, this circuit being open inside the cylinder. When the discharge triggers, the air is ionized and the break becomes conductive, and the triggering is observed on the galvanometer.
Effluve tube(19,20)
A tube filled with a rare gas, neon or another, lights at a very constant voltage. Palm and Nyiri used such tubes lighting at about 200 volts by mounting them in parallel with a variable capacitor which itself served as a voltage divider. The capacitor graduations can be made in kV.
Limited-current method(21)
Toepler studied transitions from one form of discharge to another in ambient air. He measured the limiting current intensity and the corresponding voltage. This method is used only in the laboratory.
(b) Intermittent Flow
Klydonograph(22)
A metallic point placed on an insulating plate covering a
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a metal plate make it possible to observe partial discharges at the point in the form of “aigrettes.” The shape and dimensions of the aigrettes, often recorded on photographic plates, give an idea of the order of magnitude of the voltage between the point and the metal plate.
Sphere gaps(33,34), needle gaps, disk gaps
A fairly complete study is published by Thornton(25).
The International Electrotechnical Commission (I.E.C.) has chosen sphere gaps as the standard method for measuring industrial high voltages, but there does not yet exist a general and infallible absolute method that could serve for calibrating the other methods.
This high-voltage measurement method in fact presents many disadvantages and sources of error.
1. Peek(35) showed that a much higher voltage is necessary to produce a discharge when the voltage is applied for a very short time than when it is applied for a long time.
(With point or needle gaps the difference can be from simple to double).
2. The voltage is deduced from a more or less empirical formula (Peek’s formula). Calibrations carried out in different laboratories give differences of about 10%. Thus, when in doubt, one still prefers Peek’s formula.
3. The measurement is discontinuous; each reading requires a special maneuver changing the sphere spacing up to breakdown, which is generally irregular and leads to repeating the maneuver, which is tedious—and more seriously, the phenomenon is disturbed.
4. The inception can be suppressed by polishing the spot where it persistently occurs. For precise measurements one must repeat them until the gap no longer has persistent preferred points.
5. When the distance between the spheres is greater than their diameter, the gaps introduce a new perturbing factor that can no longer be neglected, so that generally one does not exceed a distance of one diameter.
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Noting further the dependence of these measurements on temperature, barometric pressure, humidity and ionization, and the need for large spaces, one is led to reserve this method for insulation tests and other industrial methods, for it is a simple and robust device. The new prescriptions of the International Electrical Congress, 1935 are [crossed-out word] in the publication I.E.C. No. 52. The new rules of use in America are published in E.E. 1936, p. 783.
(c) Voltage Dividers
Voltage-divider devices are in common use in industrial practice. Voltages on the order of 250 kV do not present great difficulties. These devices obviously require indicators in order to read the voltage.
Capacitive dividers
Capacitors with very low losses are needed. It is also necessary that the same current, strictly speaking, pass through all the elements in series. The use of a capacitive divider for measurements of a DC voltage is very difficult. The voltage tends to divide according to the resistance of the elements when the voltage reaches the steady (DC) value.
Resistive dividers(36)
With alternating current and above 150 kV, the capacitance of the winding, which increases with the dimensions and the volume of the insulation, takes values that must be taken into account. Moreover, because the winding must be weakly inductive, it becomes very costly.
M. Joliot and M. Savol built a 7-meter-long tube filled with a mixture of alcohol and xylol, with two platinum electrodes separated by 15 cm on the side connected to earth. One twentieth of the voltage was supposed to appear between the two electrodes. It was difficult to maintain the mixture uniform over the whole length of the tube. There were also leakages on the dehydrator, and the device was abandoned without insistence.
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Formula in which \(B\) denotes Kerr’s constant. Knowing \(B\) and \(\ell\) and measuring \(\varphi\),
one can therefore use a setup of this kind to measure the electric field \(E\).
\[
\frac{\varphi}{\pi} = \frac{\delta}{\lambda} = B\,\ell\,E^{2}.
\]
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III Electronic Methods(37)
It is impossible to enumerate all electronic methods, even briefly, without exceeding the modest limits of our work. The deflection of an electron beam by an electric and magnetic field has given rise to a great number of devices allowing the evaluation of the speed of the electrons in the beam, and thereby the voltage that produced this speed or generated the deflection.
Let us nevertheless note a few methods used directly for voltage measurement, or rather for calibrating measuring instruments with linear characteristics.
Braun tube
This is the prototype of the cathode-ray tube. By applying an electric field one obtains a deflection of the beam from which one deduces the speed of the electrons. The voltage is deduced in the following way:
\[
\text{[formula illegible in the photo]}
\]
\(V\) being the voltage, \(e\) the charge of an electron \((1.60226 \pm 0.00015)\cdot 10^{-20}\) e.m.u. C.G.S., \(m_0\) its rest mass \((9.116 \pm 0.002)\cdot 10^{-28}\,g\), \(C\) the speed of light, and \(v\) the electron speed.
Kerr cell
Given an insulating liquid between parallel electrodes, the application of an electric field generally makes it birefringent; its neutral lines are respectively parallel and perpendicular to the electric field \(E\). If one makes a light beam traverse the field of length \(\ell\), parallel to the plates and linearly polarized at 45° to the electric field, the emerging beam is generally elliptically polarized, the axes of the ellipse being at 45° to the electric field. It is easy to measure, with a quarter-wave plate, the ratio \(\frac{b}{a} = \tan\varphi\) of the axes of the ellipse. Now if one calls \(\delta\) the optical path difference between the \(\varepsilon\) compo-
[← see]
Electron diffraction
An electron beam undergoes diffraction when passing through a thin metal sheet. By recording the diffraction rings on a film(28), one determines the wavelength and deduces from it the voltage through which the beam has passed.
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X-ray Spectrum
X-rays are emitted by any target struck by sufficiently fast electrons. The intensity of the radiation increases with the number of atoms in the target. The hardness of the radiation increases with the speed of the electrons striking the target. Thus the hardness of the radiation—or more precisely the minimum wavelength found in the radiation—corresponds to the greatest speed acquired by the electrons; and this speed is a function of the potential difference between the electron source and the target.
When fast electrons strike a target, two radiations are emitted. One has a continuous variation of wavelength whose extent and intensity are functions of the potential difference acting on the electrons along their path toward the target. The lower limit of the wavelengths depends on the potential drop along the path of the electrons. The other radiation has well-defined wavelengths characteristic of the target. This radiation appears only above a certain value of voltage and is otherwise independent of it.
It is the smallest wavelength of the continuous spectrum that is used for voltage measurement. According to the Duane and Hunt law(38),
\[
V e = h\,\nu_{\max} = \frac{h c}{\lambda_{\min}}.
\]
\(V\) being the potential difference applied to the tube, and \(\nu_{\max}\) and \(\lambda_{\min}\) the frequency and wavelength of the smallest wavelength observed.
The wavelength is determined in absolute value in the most precise way by the diffraction spectrum of a tangent grating of geometric period \(d\). Reinforcements are obtained in directions \(\varphi\) according to the law
\[
n\,\lambda = d\,(\cos\theta - \cos\varphi)
\]
\(\theta\) being the angle of incidence and \(\varphi\) the diffraction angle, \(n = 0, \pm 1, \pm 2, \pm 3\), etc. \(\theta\) and \(\varphi\) are very small. Since cosines near unity vary very slowly, \(\varphi\) is appreciably different for different spectral orders despite the enormous difference between \(d\) and \(\lambda\). Howe’s technique(38a) makes it possible to obtain very fine and well-defined lines.
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Overview
Among the methods reviewed, only the following were then actually used for the direct measurement of voltages exceeding one million volts, namely: the sphere voltmeter (Mester), the ellipsoid voltmeter (Thornton), sphere gaps, and the klydonograph. All the other methods require capacitive or resistive voltage dividers, of which only a part—about 250 kV—is measured directly. Two exceptions to this generalization are the Abraham–Villard voltmeter (500 kV) and Starke–Schroeder (500 kV).
For the direct measurement of much higher voltages exceeding one million volts—and especially in the case of apparatus such as the Van de Graaff, where gaps would discharge the apparatus at the very moment of interest and the klydonograph has no practical usefulness—one is led to consider only the sphere voltmeter, the rotating voltmeter, and the work method. All these methods can be used while the apparatus is in operation without changing its functioning in any way. The electrostatic valve is a useful instrument for absolute calibration at high voltages.
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CHAPTER III
Spherical torsion electrometer
Description of the apparatus (Fig. 1)
An aluminium sphere (B) into which a metal rod (D) is screwed, carrying a small weight (P) whose displacement makes it possible to balance the assembly on the suspension fiber (f), constitutes the essential part of the apparatus. The free end of the rod is extended by a silk thread placed on the rim of a bicycle wheel (C); a box (T) is suspended at the end of this thread. The quantity of water necessary to balance the apparatus with the suspension fiber (f) vertical, together with the weight of the box and its attachments, represents the attractive force exerted between spheres A and B.nd its attachments, represents the attractive force exerted between spheres A and B.
To facilitate the damping of oscillations about the equilibrium position, the box (T) is placed inside another one of slightly larger diameter (H). To make the damping more effective, the box (T) is extended by a sheet-metal cylinder soldered to its base so as to increase the friction surfaces during the motion of the boxes. This is the classical device used by P. Curie in his balance.
The bicycle wheel is mounted on its axle and carried by its fork, itself mounted on a telescopic stand allowing the rod carrying the sphere and the weight-supporting thread to be adjusted to the horizontal.
An index fixed to the screw used to tighten the small adjusting weight P gives the displacement from the equilibrium position. In practice one tries to bring the index to the zero mark in order to keep the spacing between spheres A and B at the distance for which the calculations were made.
To connect sphere B to ground, a very fine and flexible wire is clamped to the rod with the clamping screw of weight P; it is then unwound over a lateral guiding arm and runs down along the telescopic stand to a good earth.
Experience has shown that an aluminium sphere 0,2 mm thick was too light and too sensitive. The amplitudes were too large and too abrupt. The attractive force was in fact about 750 grams and we
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decided to increase the weight of the whole to about 5 kilograms in order to obtain oscillations sufficiently slow and of reasonable amplitude, allowing easy and reliable readings. A shortening of the pendulum length had the same [continuation illegible in the photo].
Study
The attractive force that appears between a charged sphere and another metallic sphere connected to ground is proportional to the square of the applied voltage. It was Lord Kelvin, i.e. William Thomson(6), who indicated the best procedure for finding the factor of this proportionality, which is a function of the diameters of the spheres and of their mutual distance.
Here are the theoretical conditions stemming from electrostatics that make it possible to (formulate and solve) the force of attraction between the spheres.
A point charge (q), far from any other body, produces at a point (S) at distance (r) a potential V such that
\[
V = \frac{q}{r}
\]
This potential becomes zero for \(r = \infty\). This is the only condition that the potential equation must satisfy in this case.
If the charge (q) is placed near a metallic sphere connected to ground, the potential equation must also satisfy the additional condition of becoming an equipotential surface of zero potential at every point (S) on the sphere.
If the charge (q) is placed near an isolated conducting sphere, the conditions to satisfy are that the potential at every point (S) on the sphere is constant and that the total charge induced on the sphere is zero.
Let us consider a sphere (B) with center O and a point P outside the sphere, where a charge (q) is placed.
On the line OP (see Fig. 2) joining point P to the center O of the sphere, one can find a point P' such that its distance \(d\) from the center is
\[
\frac{a}{d} = \frac{f}{a} \quad \text{that is} \quad d = \frac{a^{2}}{f}
\]
Thus one has two triangles PSO and P'S'O in which
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\[
r = \sqrt{a^{2} + f^{2} - 2 a f \cos \theta}
\]
and
\[
r' = \sqrt{a^{2} + d^{2} - 2 a d \cos \theta}
\]
replacing \(d\) by its value \(\frac{a^{2}}{f}\)
\[
r' = \sqrt{a^{2} + \frac{a^{4}}{f^{2}} - 2 \frac{a^{3}}{f} \cos \theta}
= \frac{a}{f}\sqrt{a^{2} + f^{2} - 2 a f \cos \theta}
\]
hence \(r' = \frac{a}{f} r\), or again \(\frac{1}{r} = \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\)
the ratio \(\frac{a}{f}\) being constant, this remains true for any point S on the sphere.
The sphere being supposed connected to ground, its potential is zero, but one finds an induced charge on the sphere due to the presence of the charge (q) at P. The induced charge on the sphere distributes itself in such a way that the potential at every point S on the sphere is equal to zero. It is impossible to find this distribution, but one can find the expression of a charge (q') placed at a point inside the sphere that would give a final result equivalent to this distribution.
Indeed, let us suppose a charge
\[
q' = - \frac{a}{f}\, q
\]
placed at point P' inside the sphere, defined as above, that is to say
\[
\frac{1}{r} = \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}
\]
the expression of the potential at a point S on the sphere will be
\[
V = \sum \frac{q}{r} = \frac{q}{r} + \frac{q'}{r'}
= q\left[\frac{1}{r} - \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\right]
= q\left[\frac{a}{f}\,\frac{1}{r'} - \frac{a}{f}\,\frac{1}{r'}\right] = 0
\]
A charge \(q' = - \frac{a}{f} q\) placed at P' at \(d = \frac{a^{2}}{f}\) from the center of the sphere is therefore indeed equivalent to the true distribution of the charge induced on the sphere by the charge (q) at P.
P' is the electric image of P and the expression above completely defines the field outside the grounded sphere.
Thus the field outside a grounded sphere, due to it and to the point charge placed in its vicinity, is identical to the field
— — —
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produced by the charge itself and its electric image \(q'\) placed at P'.
This reasoning can be extended to the case of an isolated sphere A at potential V whose center is at P, instead of a point charge.
One knows, in fact, that the field outside an isolated sphere of capacitance C at potential V is equivalent to the field that would be produced by a charge \(q_{1} = C V\) placed at its center. If the radius of sphere A is equal to a, \(q_{1} = a V\).
Let us now suppose two identical spheres A and B, A being isolated and at potential V, B being grounded, their radii being a, and C being the distance between the two centers; the field due to \(q_{1} = a V\) is distorted by the presence of B connected to ground, which always keeps zero potential by accumulating a certain charge on its surface. We saw above that this charge can be replaced by a point charge \(q_{2} = - \frac{a}{C} q_{1}\), placed at \(d_{2} = \frac{a^{2}}{C}\) from the center of sphere B; it restores zero voltage at its surface. It is evident that the presence of this charge on the surface of B in turn influences the distribution on sphere A, and this influence is equivalent to the action of a new point charge \(q_{3}\), which is the electric image of \(q_{2}\), and which must be placed at \(d_{3} = \frac{a^{2}}{C - d_{2}}\) from the center of A.
By this reasoning one sees that the real distribution of charges on the two spheres can be replaced by a double series of images, one in sphere A with the sign of \(q_{1}\), the other in B with the sign \(-q_{1}\), at distances \(d_{1}, d_{2}\), etc. from the respective centers of the spheres.
The general term of these series is:
\[
q_{n} = \frac{a}{C - d_{n-1}}\, q_{n-1}
\]
\[
d_{n} = \frac{a^{2}}{C - d_{n-1}}
\]
The attraction between the two spheres is equal to the sum of the forces exerted between each of the charges placed in sphere B and all the charges of A.
The force exerted between two charges \(q_{n-1}\) and \(q_{n}\) separated by the distance \(f\) is
\[
F = \frac{q_{n-1} \times q_{n}}{f^{2}}
\]
The total force will then be
\[
F = \sum_{(n)}^{\infty}\sum_{(n-1)}^{\infty}\frac{q_{n-1} \times q_{n}}{(C - d_{n-1} - d_{n})^{2}}
\]
— — —
- 22 -
The distance (C) between the centers of the spheres being necessarily \(\ge 2a\) (a being the radius of the spheres), the n-th term is much smaller than the (n−1)-th and the series obtained is rapidly convergent.
The result of the calculations is written in the convenient form
\[
F(\text{dynes}) = 0,1375\, S\, V^{2}
\]
(\(V\) in electrostatic units)
S is a factor depending only on the interval between the spheres. In practical units one obtains
\[
V(\text{volts}) = 9,405\,\sqrt{\frac{F(\text{gr})}{S(\text{cm})}}
\]
Here is the spacing factor S for two identical spheres of radius \(a = 50\) cm.
interval (cm) S
0 \(\infty\)
5 1,13812
10 0,52852
15 0,32917
20 0,23159
25 0,17252
30 0,13696
35 0,11082
40 0,09274
45 0,07720
interval (cm) S
50 0,06592
55 0,05693
60 0,04965
65 0,04363
70 0,03865
75 0,03441
80 0,03084
85 0,02775
90 0,02509
95 0,02278
100 0,02075
Calculation of the attraction forces between two spheres A and B of radius \(a = 50\) cm, separated by 30 cm. The distance between centers is therefore \(50 + 50 + 30 = 130\) cm.
Sphere A at potential V Sphere B at potential 0
\(q_{1} = aV\) \(d_{1} = 0\) cm \(q_{2} = -0,385aV\) \(d_{2} = 19,2\) cm
\(q_{3} = 0,174aV\) \(d_{3} = 22,6\) cm \(q_{4} = -0,086aV\) \(d_{4} = 23,2\) cm
\(q_{5} = 0,0378aV\) \(d_{5} = 23,4\) cm \(q_{6} = -0,0177aV\) \(d_{6} = 23,45\) cm
\(q_{7} = 0,00833aV\) \(d_{7} = 23,5\) cm \(q_{8} = -0,00393aV\) \(d_{8} = 23,55\) cm
\[
F = \frac{q_{1}q_{2}}{(130 - d_{2})^{2}} + \frac{q_{3}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{3})^{2}} + \frac{q_{5}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{5})^{2}} + \frac{q_{7}q_{2}}{(130 - d_{2} - d_{7})^{2}} + \cdots
\]
— — —
- 23 -
\[
+ \frac{q_{1}q_{4}}{(130 - d_{4})^{2}} + \frac{q_{3}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{3})^{2}} + \frac{q_{5}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{5})^{2}} + \frac{q_{7}q_{4}}{(130 - d_{4} - d_{7})^{2}} + \cdots
\]
In the case where the spheres have different radii, sphere A being of radius a and sphere B of radius b, the preceding series are written:
\[
q_{1} = aV \qquad d_{1} = 0
\]
\[
q_{3} = \frac{a}{C - d_{2}}\, q_{2} \qquad d_{3} = \frac{a^{2}}{C - d_{2}}
\]
\[
q_{5} = \frac{a}{C - d_{4}}\, q_{4} \qquad d_{5} = \frac{a^{2}}{C - d_{4}}
\]
\[
q_{2} = -\frac{b}{C - d_{1}}\, q_{1} \qquad d_{2} = \frac{b^{2}}{C}
\]
\[
q_{4} = -\frac{b}{C - d_{3}}\, q_{3} \qquad d_{4} = \frac{b^{2}}{C - d_{3}}
\]
\[
q_{6} = -\frac{b}{C - d_{5}}\, q_{5} \qquad d_{6} = \frac{b^{2}}{C - d_{5}}
\]
In order that the auxiliary sphere of radius r, connected to ground, does not increase effluves, it must be placed at a certain distance from the charged sphere of radius R.
This distance d is related to the distance between the two centers \(f = R + r + d\) (\(f\) being the center-to-center distance), which leads to equal fields on the surface of the spheres.
Taking only the first term of the series above, one finds for the field outside r
\[
\frac{Q}{r f}
\]
and for that of sphere R
\[
\frac{Q}{R^{2}}
\]
Thus:
\[
r f \ge R^{2}
\]
\[
r(R + r + d) \ge R^{2}
\]
hence
\[
d \ge \frac{R^{2}}{r} - (R + r) \ge \frac{50^{2}}{25} - (50 + 25) \ge 25 \text{ cm.}
\]
with \(R = 2r = 50\) cm in our case.
We adopted a separation of 30 cm and later 40 cm.
— — —
- 24 -
In the first case
\[
V(\text{volts}) = 3,11 \times 10^{4}\,\sqrt{F(\text{grams})}
\]
and in the second
\[
V(\text{volts}) = 3,803 \times 10^{4}\,\sqrt{F(\text{grams})}
\]
d = 30 cm d = 40 cm
F(gr) V(kV) F(gr) V(kV)
1 31,1 1 38,3
4 62,2 4 76,06
9 93,3 9 114,09
16 124,4 16 152,12
25 155,5 25 190,15
100 311,0 81 342,0
225 466,5 100 380,3
400 622,0 169 494,0
625 777,5 225 575,45
900 933,0 300 658
1034 1000,0 400 760,6
500 850
625 950,75
691,4 1000,0