175 THÉORIE MATHÉMATIQUE DES PHÉNOMÈNES ÉLECTRO-DYNAMIQUES UNIQUEMENT DÉDUITE DE L'EXPÉRIENCE André-Marie AMPÈRE MÉMOIRES DE L'ACADÉMIE ROYALE DES SCIENCES DE L'INSTITUT DE FRANCE. ANNÉE 1823. TOME VI. PARIS, CHEZ FIRMIN DIDOT, PÈRE ET FILS, LIBRAIRES, RUE JACOB, N°24. 1827. MÉMOIRE Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'expérience, dans lequel se trouvent réunis les Mémoires que M. Ampère a communiqués à l'Académie royale des Sciences, dans les séances des 4 et 26 décembre 1820, 10 juin 1822, 22 décembre 1823, 12 septembre et 28 novembre 1825. L'époque que les travaux de Newton ont marquée dans l'histoire des sciences n'est pas seulement celle de la plus importante des découvertes que l'homme ait faites sur les causes des grands phénomènes de la nature, c'est aussi l'époque ou l'esprit humain s'est ouvert une nouvelle route dans les sciences qui ont pour objet l'étude de ces phénomènes. Jusqu'alors on en avait presque exclusivement cherché les causes dans l'impulsion d'un fluide inconnu qui entraînait les particules matérielles suivant la direction de ses propres particules; et partout où l'on voyait un mouvement révolutif, on imaginait un tourbillon dans le même sens. Newton nous a appris que cette sorte de mouvement doit, comme tous ceux que nous offre la nature, être ramenée par le calcul à des forces agissant toujours entre deux particules matérielles suivant la droite qui les joint, de manière que 176 l'action exercée par l'une d'elles sur l'autre soit égale et opposée à celle que cette dernière exerce en même temps sur la première, et qu'il ne puisse, par conséquent, lorsqu'on suppose ces deux particules liées invariablement entre elles, résulter aucun mouvement de leur action mutuelle. C'est cette loi confirmée aujourd'hui par toutes les observations, par tous les calculs, qu'il exprima dans le dernier des trois axiomes qu'il plaça au commencement des Philosophiæ naturalis principia mathematica. Mais il ne suffisait pas de s'être élevé à cette haute conception, il fallait trouver suivant quelle loi ces forces varient avec la situation respective des particules entre lesquelles elles s'exercent, ou, ce qui revient au même en exprimer la valeur par une formule. Newton fut loin de penser qu'une telle loi put être inventée en partant de considérations abstraites plus ou moins plausibles. Il établit qu'elle devait être déduite des faits observés, ou plutôt de ces lois empiriques qui, comme celles de Képler, ne sont que les résultats généralisés d'un grand nombre de faits. Observer d'abord les faits, en varier les circonstances autant qu'il est possible, accompagner ce premier travail de mesures précises pour en déduire des lois générales, uniquement fondées sur l'expérience, et déduire de ces lois, indépendamment de toute hypothèse sur la nature des forces qui produisent les phénomènes, la valeur mathématique de ces forces, c'est-à-dire la formule qui les représente, telle est la marche qu'a suivie Newton. Elle a été, en général, adoptée en France par les savants auxquels la physique doit les immenses progrès qu'elle a faits dans ces derniers temps, et c'est elle qui m'a servi de guide dans toutes mes recher- 178 de la philosophie newtonienne, j'ai ramené le phénomène observé par M. Oerstedt, comme on l'a fait à l'égard de tous ceux du même genre que nous offre la nature, à des forces agissant toujours suivant la droite qui joint les deux particules entre lesquelles elles s'exercent; et si j'ai établi que la même disposition ou le même mouvement de l'électricité qui existe dans le fil conducteur a lieu aussi autour des particules des aimants, ce n'est certainement pas pour les faire agir par impulsion à la manière d'un tourbillon, mais pour calculer, d'après ma formule, les forces qui en résultent entre ces particules et celles d'un conducteur ou d'un autre aimant, suivant les droites qui joignent deux à deux les particules dont on considère l'action mutuelle, et pour montrer que les résultats du calcul sont complètement vérifiés, 1° par les expériences que j'ai faites, et par celles qu'on doit à M. Pouillet sur la détermination précise des situations où il faut que se trouve un conducteur mobile, pour qu'il reste en équilibre lorsqu'il est soumis à l'action, soit d'un autre conducteur, soit d'un aimant; 2° par l'accord de ces résultats avec les lois que Coulomb et M. Biot ont déduites de leurs expériences, le premier relativement à l'action mutuelle de deux aimants, le second à celle d'un aimant et d'un fil conducteur. Le principal avantage des formules qui sont ainsi conclues immédiatement de quelques faits généraux donnés par un nombre suffisant d'observations pour que la certitude n'en puisse être contestée, est de rester indépendantes, tant des hypothèses dont leurs auteurs ont pu s'aider dans la recherche de ces formules, que de celles qui peuvent leur être substituées dans la suite. L'expression de l'attraction universelle déduite des lois de Képler ne dépend point des hypothèses que quelques auteurs ont essayé de faire sur une 179 cause mécanique qu'ils voulaient lui assigner. La théorie de la chaleur repose réellement sur des faits généraux donnés immédiatement par l'observation; et l'équation déduite de ces faits se trouvant confirmée par l'accord des résultats qu'on en tire et de ceux que donne l'expérience, doit être également reçue comme exprimant les vraies lois de la propagation de la chaleur, et par ceux qui l'attribuent à un rayonnement de molécules calorifiques, et par ceux qui recourent pour expliquer le même phénomène aux vibrations d'un fluide répandu dans l'espace; seulement il faut que les premiers montrent comment l'équation dont il s'agit résulte de leur manière de voir, et que les seconds la déduisent des formules générales des mouvements vibratoires; non pour rien ajouter à la certitude de cette équation, mais pour que leurs hypothèses respectives puissent subsister. Le physicien qui n'a point pris de parti à cet égard admet cette équation comme la représentation exacte des faits, sans s'inquiéter de la manière dont elle peut résulter de l'une ou de l'autre des explications dont nous parlons; et si de nouveaux phénomènes et de nouveaux calculs viennent à démontrer que les effets de la chaleur ne peuvent être réellement expliqués que dans le système des vibrations, le grand physicien qui a le premier donné cette équation, et qui a créé pour l'appliquer à l'objet de ses recherches de nouveaux moyens d'intégration, n'en serait pas moins l'auteur de la théorie mathématique de la chaleur, comme Newton est celui de la théorie des mouvements planétaires, quoique cette dernière ne fût pas aussi complètement démontrée par ses travaux qu'elle l'a été depuis par ceux de ses successeurs. Il en est de même de la formule par laquelle j'ai représenté 177 ches sur les phénomènes électro-dynamiques. J'ai consulté uniquement l'expérience pour établir les lois de ces phénomènes, et j'en ai déduit la formule qui peut seule représenter les forces auxquelles ils sont dus; je n'ai fait aucune recherche sur la cause même qu'on peut assigner à ces forces, bien convaincu que toute recherche de ce genre doit être précédée de la connaissance purement expérimentale des lois, et de la détermination, uniquement déduite de ces lois, de la valeur des forces élémentaires dont la direction est nécessairement celle de la droite menée par les points matériels entre lesquels elles s'exercent. C'est pour cela que j'ai évité de parler des idées que je pouvais avoir sur la nature de la cause de celles qui Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr émanent des conducteurs voltaïques, si ce n'est dans les notes qui accompagnent l'Exposé sommaire des nouvelles expériences électromagnétiques faites par plusieurs physiciens depuis le mois de mars 1821, que j'ai lu dans la séance publique de l'Académie des Sciences, le 8 avril 1822; on peut voir ce que j'en ai dit dans ces notes à la page 215 de mon recueil d'Observations électro-dynamiques. Il ne paraît pas que cette marche, la seule qui puisse conduire à des résultats indépendants de toute hypothèse, soit préférée par les physiciens du reste de l'Europe, comme elle l'est par les Français; et le savant illustre qui a vu le premier les pôles d'un aimant transportés par l'action d'un fil conducteur dans des directions perpendiculaires à celles de ce fil, en a conclu que la matière électrique tournait autour de lui, et poussait ces pôles dans le sens de son mouvement, précisément comme Descartes faisait tourner la matière de ses tourbillons dans le sens des révolutions planétaires. Guidé par les principes 180 l'action électro-dynamique. Quelle que soit la cause physique à laquelle on veuille rapporter les phénomènes produits par cette action, la formule que j'ai obtenue restera toujours l'expression des faits. Si l'on parvient à la déduire d'une des considérations par lesquelles on a expliqué tant d'autres phénomènes, telles que les attractions en raison inverse du carré de la distance, celles qui deviennent insensibles à toute distance appréciable des particules entre lesquelles elles s'exercent, les vibrations d'un fluide répandu dans l'espace, etc., on fera un pas de plus dans cette partie de la physique; mais certe recherche, dont je ne me suis point encore occupé, quoique j'en reconnaisse toute l'importance, ne changera rien aux résultats de mon travail, puisque pour s'accorder avec les faits, il faudra toujours que l'hypothèse adoptée s'accorde avec la formule qui les représente si complètement. Dès que j'eus reconnu que deux conducteurs voltaïques agissent l'un sur l'autre, tantôt en s'attirant, tantôt en se repoussant, que j'eus distingué et décrit les actions qu'ils exercent dans les différentes situations où ils peuvent se trouver l'un à l'égard de l'autre, et que j'eus constaté l'égalité de l'action qui est exercée par un conducteur rectiligne, et de celle qui l'est par un conducteur sinueux, lorsque celui-ci ne s'éloigne qu'à des distances extrêmement petites de la direction du premier, et se termine, de part et d'autre, aux mêmes points; je cherchai à exprimer par une formule la valeur de la force attractive ou répulsive de deux de leurs éléments, ou parties infiniment petites, afin de pouvoir en déduire, par les méthodes connues d'intégration, l'action qui a lieu entre deux portions de conducteurs données de forme et de situation. 181 L'impossibilité de soumettre directement à l'expérience des portions infiniment petites du circuit voltaïque, oblige nécessairement à partir d'observations faites sur des fils conducteurs de grandeur finie, et il faut satisfaire à ces deux conditions, que les observations soient susceptibles d'une grande précision, et qu'elles soient propres à déterminer la valeur de l'action mutuelle de deux portions infiniment petites de ces fils. C'est ce qu'on peut obtenir de deux manières : l'une consiste à mesurer d'abord avec la plus grande exactitude des valeurs de l'action mutuelle de deux portions d'une grandeur finie, en les plaçant successivement, l'une par rapport à l'autre, à différentes distances et dans différentes positions, car il est évident qu'ici l'action ne dépend pas seulement de la distance; il faut ensuite faire une hypothèse sur la valeur de l'action mutuelle de deux portions infiniment petites, en conclure celle de l'action qui doit en résulter pour les conducteurs de grandeur finie sur lesquels on a opéré, et modifier l'hypothèse jusqu'à ce que les résultats du calcul s'accordent avec ceux de l'observation. C'est ce procédé que je m'étais d'abord proposé de suivre, comme je l'ai expliqué en détail dans un Mémoire lu à l'Académie des Sciences, le 9 octobre 1820 (1); et quoiqu'il ne nous conduise à la vérité que par la voie indirecte des hypothèses, il n'en est pas moins précieux, puisqu'il est souvent le seul qui puisse être employé dans les recherches de ce genre. Un des membres de cette Académie, dont les travaux ont embrassé toutes les parties de la physique, l'a parfaite- 182 ment décrit dans la Notice sur l'aimantation imprimée aux métaux par l'électricité en mouvement, qu'il nous a lue le 2 avril 1821, en l'appelant un travail en quelque sorte de divination, qui est la fin de presque toutes les recherches physiques (2). (1) Ce Mémoire n'a pas été publié à part, mais les principaux résultats en ont été insérés dans celui que j'ai publié en 1820, dans le tome XV des Annales de chimie et de physique. (2) Voyez le Journal des savants, avril 1821, p. 233. Mais il existe une autre manière d'atteindre plus directement le même but; c'est celle que j'ai suivie depuis, et qui m'a conduit au résultat que je désirais : elle consiste à constater, par l'expérience, qu'un conducteur mobile reste exactement en équilibre entre des forces égales, ou des moments de rotation égaux, ces forces et ces moments étant produits par des portions de conducteurs fixes dont les formes ou les grandeurs peuvent varier d'une manière quelconque, sous des conditions que l'expérience détermine, sans que l'équilibre soit troublé, et d'en conclure directement par le calcul quelle doit être la valeur de l'action mutuelle de deux portions infiniment petites, pour que l'équilibre soit en effet indépendant de tous les changements de forme ou de grandeur compatibles avec ces conditions. Ce dernier procédé ne peut être employé que quand la nature de l'action qu'on étudie donne lieu à des cas d'équilibre indépendants de la forme des corps; il est, par conséquent, beaucoup plus restreint dans ses applications que celui dont j'ai parlé tout-à-l'heure : mais puisque les conducteurs voltaïques présentent des circonstances où cette sorte d'équilibre a lieu, il est naturel de le préférer à tout autre, comme plus direct, plus simple, et susceptible d'une plus grande exactitude quand les expériences sont faites avec les précautions convenables. Il y a d'ailleurs, à l'égard 183 de l'action exercée par ces conducteurs, un motif bien plus décisif encore de le suivre dans les recherches relatives à la détermination des forces qui la produisent : c'est l'extrême difficulté des expériences où l'on se proposerait, par exemple, de mesurer ces forces par le nombre des oscillations d'un corps soumis à leurs actions. Cette difficulté vient de ce que quand on fait agir un conducteur fixe sur une portion mobile du circuit voltaïque, les parties de l'appareil nécessaire pour la mettre en communication avec la pile, agissent sur cette portion mobile en même temps que le conducteur fixe, et altèrent ainsi les résultats des expériences. Je crois cependant être parvenu à la surmonter dans un appareil propre à mesurer l'action mutuelle de deux conducteurs, l'un fixe et l'autre mobile, par le nombre des oscillations de ce dernier, et en faisant varier la forme du conducteur fixe. Je décrirai cet appareil dans la suite de ce Mémoire. Il est vrai qu'on ne rencontre pas les mêmes obstacles quand on mesure de la même manière l'action d'un fil conducteur sur un aimant; mais ce moyen ne peut être employé quand il s'agit de la détermination des forces que deux conducteurs voltaïques exercent l'un sur l'autre, détermination qui doit être le premier objet de nos recherches dans l'étude des nouveaux phénomènes. Il est évident, en effet, que si l'action d'un fil conducteur sur un aimant était due à une autre cause que celle qui a lieu entre deux conducteurs, les expériences faites sur la première ne pourraient rien apprendre relativement à la seconde; et que si les aimants ne doivent leurs propriétés qu'à des courants électriques, entourant chacune de leurs particules, il faudrait, pour pouvoir en tirer 184 des conséquences certaines relativement à l'action qu'exerce sur ces courants celui du fil conducteur, que l'on sût d'avance s'ils ont la même intensité près de la surface de l'aimant et dans son intérieur, ou suivant quelle loi varie cette intensité; si les plans de ces courants sont partout perpendiculaires à l'axe du barreau aimanté, comme je l'avais d'abord supposé, ou si l'action mutuelle des courants d'un même aimant leur donne une situation d'autant plus inclinée à cet axe qu'ils en sont à une plus grande distance et qu'ils s'écartent davantage de son milieu, comme je l'ai conclu depuis de la différence qu'on remarque entre la situation des pôles d'un aimant, et celles des points qui jouissent des mêmes propriétés dans un fil conducteur roulé en hélice (1). (1) Je crois devoir insérer ici la note suivante, qui est extraite de l'analyse des travaux de l'Académie pendant l'année 1821, publiée le 8 avril 1822. (Voyez la partie mathématique de cette analyse, p. 22 et 23.) « La principale différence entre la manière d'agir d'un aimant et d'un conducteur voltaïque dont une partie est roulée en hélice autour de l'autre , consiste en ce que les pôles du premier sont situés plus près du milieu de l'aimant que ses extrémités, tandis que les points qui présentent les mêmes propriétés dans l'hélice sont exactement placés aux extrémités de cette hélice : c'est ce qui doit arriver quand l'intensité des courants de l'aimant va en diminuant de son milieu vers ses extrémités. Mais M. Ampère a reconnu depuis une autre cause qui peut aussi déterminer cet effet. Après avoir conclu de ses nouvelles expériences, que les courants électriques d'un aimant existent autour de chacune de ses particules, il lui a été aisé de voir qu'il n'est pas nécessaire de supposer, comme il l'avait fait d'abord, que les plans de ces courants sont partout perpendiculaires à l'axe de l'aimant; leur action mutuelle doit tendre à donner à ces plans une situation inclinée à l'axe, surtout vers ses extrémités, en sorte que les pôles, au lieu d'y être exactement situés, comme ils devraient l'être, d'après les calculs déduits des formules données par M. Ampère, lorsqu'on suppose tous les courants de même intensité et dans des plans perpendiculaires à l'axe, doivent se rapprocher du milieu de l'aimant d'une partie de sa longueur d'autant plus grande que les plans d'un plus grand grand nombre de courants sont ainsi inclinés, et qu'ils le sont davantage, c'est-à-dire d'autant plus que l'aimant est plus épais relativement à sa longueur, ce qui est conforme à l'expérience. Dans les fils conducteurs pliés en hélice, et dont une partie revient par l'axe pour détruire l'effet de la partie des courants de chaque spire qui agit comme s'ils étaient parallèles à cet axe, les deux circonstances qui, d'après ce que nous venons de dire, n'ont pas nécessairement lieu dans les aimants, existent au contraire nécessairement dans ces fils; aussi observe-t-on que les hélices ont des pôles semblables à ceux des aimants, mais placés exactement à leurs extrémités comme le donne le calcul. » On voit par cette note que, dès l'année 1821, j'avais conclu des phénomènes que présentent les aimants : 1° qu'en considérant chaque particule d'un barreau aimanté comme un aimant, les axes de ces aimants élémentaires doivent être, non pas parallèles à l'axe de l'aimant total Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr comme on le supposait alors, mais situés dans des directions inclinées à cet axe et dans des directions déterminées par leur action mutuelle; 2° que cette disposition est une des causes pour lesquelles les pôles de l'aimant total ne sont pas situés à ses extrémités, mais entre les extrémités et le milieu de l'aimant. L'une et l'autre de ces assertions se trouvent aujourd'hui complètement démontrées par les résultats que M. Poisson a déduits des formules par lesquelles il a représenté la distribution, dans les aimants, des forces qui émanent de chacune de leurs particules. Ces formules sont fondées sur la loi de Coulomb, et il n'y a, par conséquent, rien à y changer quand on adopte la manière dont j'ai expliqué les phénomènes magnétiques, puisque cette loi est une conséquence de ma formule, comme on le verra dans la suite de ce Mémoire. 185 Les divers cas d'équilibre que j'ai constatés par des expériences précises, donnent immédiatement autant de lois qui conduisent directement à l'expression mathématique de la 186 force que deux éléments de conducteurs voltaïques exercent l'un sur l'autre, d'abord en faisant connaître la forme de cette expression, ensuite en déterminant les nombres constants, mais d'abord inconnus, qu'elle renferme, précisément comme les lois de Képler démontrent d'abord que la force qui retient les planètes dans leurs orbites tend constamment au centre du soleil, puisqu'elle change pour une même planète en raison inverse du carré de sa distance à ce centre, enfin que le coefficient constant qui en représente l'intensité a la même valeur pour toutes les planètes. Ces cas d'équilibre sont au nombre de quatre : le premier démontre l'égalité des valeurs absolues de l'attraction et de la répulsion qu'on produit en faisant passer alternativement, en deux sens opposés, le même courant dans un conducteur fixe dont on ne change ni la situation ni la distance au corps sur lequel il agit. Cette égalité résulte de la simple observation que deux portions égales d'un même fil conducteur recouvertes de soie pour en empêcher la communication, et toutes deux rectilignes ou tordues ensemble de manière à former l'une autour de l'autre deux hélices dont toutes les parties sont égales, et qui sont parcourues par un même courant électrique, l'une dans un sens et l'autre en sens contraire, n'exercent aucune action, soit sur un conducteur mobile, soit sur un aimant; on peut aussi la constater à l'aide du conducteur mobile qu'on voit dans la figure 9 de la planche Ire du tome XVIII des Annales de chimie et de physique, relative à la description d'un de mes appareils électro-dynamiques, et qui est représenté ici (Pl. 1, fig. 1). On place pour cela un peu au-dessous de la partie inférieure d e c' d' de ce conducteur, et dans une direction quelconque, un conducteur rectiligne 187 horizontal plusieurs fois redoublé A B, de manière que le milieu de sa longueur et de son épaisseur soit dans la verticale qui passe par les pointes x, y, autour desquelles tourne librement le conducteur mobile. On voit alors que ce conducteur reste dans la situation où on le place; ce qui prouve qu'il y a équilibre entre les actions exercées par le conducteur fixe sur les deux portions égales et opposées de circuit voltaïque b c d e, b' c' d' e', qui ne diffèrent que parce que, dans l'une, le courant électrique va en s'approchant du conducteur fixe A B, et dans l'autre, en s'en éloignant, quel que soit d'ailleurs l'angle formé par la direction de ce dernier conducteur avec le plan du conducteur mobile : or, si l'on considère d'abord les deux actions exercées entre chacune de ces portions de circuit voltaïque et la moitié du conducteur A B dont elle est la plus voisine, et ensuite les deux actions entre chacune d'elles et la moitié du même conducteur dont elle est la plus éloignée, on verra aisément, 1° que l'équilibre dont nous venons de parler ne peut avoir lieu pour toutes les valeurs de cet angle, qu'autant qu'il y a séparément équilibre entre les deux premières actions et les deux dernières; 2° que si l'une des deux premières est attractive, parce que les côtés de l'angle aigu formé par les portions de conducteurs entre lesquelles elle a lieu, sont parcourus dans le même sens par le courant électrique, l'autre sera répulsive parce qu'elle aura lieu entre les deux côtés de l'angle égal opposé au sommet, qui sont parcourus en sens contraires par le même courant, en sorte qu'il faudra d'abord, pour qu'il y ait équilibre entre elles, que ces deux premières actions qui tendent à faire tourner le conducteur mobile, l'une dans un sens, l'autre dans le sens opposé, soient égales 188 entre elles; et ensuite que les deux dernières actions, l'une attractive et l'autre répulsive, qui s'exercent entre les côtés des deux angles obtus opposés au sommet et suppléments de ceux dont nous venons de parler, soient aussi égales entre elles. Il est inutile de remarquer que ces actions sont réellement les sommes des produits des forces qui agissent sur chaque portion infiniment petite du conducteur mobile, multipliées par leur distance à la verticale autour de laquelle il peut librement tourner; mais comme les distances à cette verticale des portions infiniment petites correspondantes des deux branches b c d e, b'c'd'e' sont toujours égales entre elles, l'égalité des moments rend nécessaire celle des forces. Le second des trois cas généraux d'équilibre, est celui que j'ai remarqué à la fin de l'année 1820; il consiste dans l'égalité des actions exercées sur un conducteur rectiligne mobile, par deux conducteurs fixes situés à égales distances du premier, et dont l'un est rectiligne, l'autre plié et contourné d'une manière quelconque, quelles que soient d'ailleurs les sinuosités que forme ce dernier. Voici la description de l'appareil avec lequel j'ai vérifié l'égalité des deux actions par des expériences susceptibles d'une grande précision, et dont j'ai communiqué les résultats à l'Académie, dans la séance du 26 décembre 1820. Les deux règles verticales en bois, P Q, R S (fig. 2), portent, dans des rainures pratiquées sur celles de leurs faces qui se trouvent en regard, la première un fil rectiligne b c, la seconde un fil k l formant, dans toute sa longueur et dans un plan perpendiculaire au plan qui joindrait les deux axes des règles, des contours et des replis tels que ceux qu'on voit dans la figure le long de la règle R S, de manière 189 que ce fil ne s'éloigne, en aucun de ses points, que très-peu du milieu de la rainure. Ces deux fils sont destinés à servir de conducteurs à deux portions d'un même courant, que l'on fait agir par répulsion sur la partie G H d'un conducteur mobile, composé de deux circuits rectangulaires presque fermés et égaux B C D E, F G H I, qui sont parcourus en sens contraires par le courant électrique, afin que les actions que la terre exerce sur ces deux circuits se détruisent mutuellement. Aux deux extrémités de ce conducteur mobile, sont deux pointes A et K qui plongent dans les coupes M et N, pleines de mercure, et soudées aux extrémités des deux branches de cuivre g M, h N. Ces branches sont en communication, par les boîtes de cuivre g et h, la première avec un fil de cuivre g f e, plié en hélice autour du tube de verre h g f, l'autre avec un fil rectiligne h i qui passe dans l'intérieur du même tube, et se termine dans l'auge k i, creusée dans une pièce de bois v w qu'on fixe à la hauteur que l'on veut, contre le montant z, avec la vis de pression o. D'après l'expérience dont j'ai parlé plus haut, cette portion du circuit composée de l'hélice g f et du fil rectiligne h i, ne peut exercer aucune action sur le conducteur mobile. Pour que le courant électrique passe dans les conducteurs fixes b c et k l, les fils dont ces conducteurs sont formés se prolongent en cde, lmn, dans deux tubes de verre (1) attachés à la traverse 190 xy, et viennent se terminer, le premier dans la coupe e, et le second dans la coupe n. Tout étant ainsi disposé, on met du mercure dans toutes les coupes et dans les deux auges b a, ki, et l'on plonge le rhéophore positif pa dans l'auge ba qui est aussi creusée dans la pièce de bois vw, et le rhéophore négatif qn dans la coupe n. Le courant parcourt tous les conducteurs de l'appareil dans l'ordre suivant p a b c d e f g M A B C D E F G H I K N hiklmnq; d'où il résulte qu'il est ascendant dans les deux conducteurs fixes, et descendant dans la partie G H du conducteur mobile qui est soumise à leur action, et qui se trouve au milieu de l'intervalle des deux conducteurs fixes dans le plan qui passe par leurs axes. Cette partie G H est donc repoussée par bc et kl : d'où il suit que si l'action de ces deux conducteurs est la même à égales distances, G H doit s'arrêter au milieu de l'intervalle qui les sépare; c'est ce qui arrive en effet. (1) L'usage de ces tubes est d'empêcher la flexion des fils qui y sont renfermés, en les maintenant à des distances égales des deux conducteurs be, k l, afin que leurs actions sur G H qui diminuent celle de ces deux conducteurs, les diminuent également. Il est bon de remarquer 1° que les deux axes des conducteurs fixes étant à égales distances de G H, on ne peut pas dire rigoureusement que la distance est la même pour tous les points du conducteur kl, à cause des contours et des replis que forme ce conducteur. Mais comme ces contours et ces replis sont dans un plan perpendiculaire au plan qui passe par G H et par les axes des conducteurs fixes, il est évident que la différence de distance qui en résulte, est la plus petite possible, et d'autant moindre que la moitié de la largeur de la rainure R S, que cette moitié est moindre que l'intervalle des deux règles, puisque cette différence, dans le cas où elle est la plus grande possible, est égale à celle qui se trouve entre le rayon et la sécante d'un arc dont la tangente est égale à la moitié de la largeur de la rainure. 191 et qui appartient à un cercle dont le diamètre est l'intervalle des deux règles. 2° Que si l'on décompose chaque portion infiniment petite du conducteur kl, comme on décomposerait une force en deux autres petites portions qui en soient les projections, l'une sur l'axe vertical de ce conducteur, l'autre sur des lignes horizontales menées par tous ses points dans le plan où se trouvent les replis et les contours qu'il forme, la somme des premières, en prenant négativement celles qui, ayant une direction opposée à la direction des autres, doivent produire une action en sens contraire, sera égale à la longueur de cet axe; en sorte que l'action totale, résultant de toutes ces projections, sera la même que celle d'un conducteur rectiligne égal à l'axe, c'est-à-dire à celle du conducteur bc situé de l'autre côté à la même distance de GH, tandis que l'action des secondes sera nulle sur le même conducteur mobile Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr GH, puisque les plans élevés perpendiculairement sur le milieu de chacune d'elles passeront sensiblement par la direction de GH. La réunion de ces deux séries de projections produit donc nécessairement sur GH une action égale à celle de bc; et comme l'expérience prouve que le conducteur sinueux kl produit aussi une action égale à celle de bc, quels que soient les replis et les contours qu'il forme, il s'ensuit qu'il agit, dans tous les cas, comme la réunion des deux séries de projections, ce qui ne peut avoir lieu, indépendamment de la manière dont il est plié et contourné, à moins que chacune des parties de ce conducteur n'agisse séparément comme la réunion de ses deux projections. Pour que cette expérience ait toute l'exactitude désirable, il est nécessaire que les deux règles soient exactement verticales, et qu'elles soient précisément à la même distance du 192 conducteur mobile. Pour remplir ces conditions, on adapte une division αβ à la traverse x y, et l'on fixe les règles avec deux crampons η et θ, et deux vis de pression λ,µ, ce qui permet de les écarter ou de les rapprocher à volonté, en les maintenant toujours à égale distance du milieu γ de la division α β. L'appareil est construit de manière que les deux règles sont perpendiculaires à la traverse xy, et on rend celle-ci horizontale à l'aide des vis que l'on voit aux quatre coins du pied de l'instrument, et du fil à plomb XY qui répond exactement au point Z, déterminé convenablement sur ce pied, quand la traverse xy est parfaitement de niveau. Pour rendre le conducteur ABCDEFGHIK mobile autour d'une ligne verticale, située à égale distance des deux conducteurs bc, kl, ce conducteur est suspendu à un fil métallique très-fin attaché au centre d'un bouton T, qui peut tourner sur lui-même sans changer de distance à ces deux conducteurs; ce bouton est au centre d'un petit cadran O, sur lequel l'indice L sert à marquer l'endroit où il faut l'arrêter pour que la partie G H du conducteur mobile réponde, sans que le fil soit tordu, au milieu de l'intervalle des deux conducteurs fixes bc, kl, afin de pouvoir remettre immédiatement l'aiguille dans la direction où il faut qu'elle soit pour cela, toutes les fois qu'on veut répéter l'expérience. On reconnaît que GH est en effet à égale distance de bc et de kl, au moyen d'un autre fil à plomb ψω attaché à une branche de cuivre φγψ portée comme le cadran O par le support UVO, dans lequel cette branche φγψ peut tourner autour de l'axe du bouton φ qui la termine, ce qui donne la facilité de faire répondre la pointe de l'aplomb ω sur la ligne γδ milieu de la division αβ. Quand le conducteur est dans la position con- 193 venable, les trois verticales ψ ω, GH et CD se trouvent dans le même plan, et l'on s'en assure aisément en plaçant l'œil dans ce plan en avant de ψω. Le conducteur mobile se trouve ainsi placé d'avance dans la situation où il doit y avoir équilibre entre les répulsions des deux conducteurs fixes, si ces répulsions sont exactement égales : on les produit alors en plongeant dans le mercure de l'auge ba et de la coupe n les fils ap, nq, qui communiquent avec les deux extrémités de la pile, et l'on voit le conducteur G H rester dans cette situation malgré la grande mobilité de ce genre de suspension, tandis que si l'on déplace, même très-peu, l'indice L, ce qui amène GH dans une situation où il n'est plus à égales distances des conducteurs fixes bc, kl, on le voit se mouvoir à l'instant où l'on établit les communications avec la pile, en s'éloignant de celui des conducteurs dont il se trouve le plus près. C'est ainsi que j'ai constaté, dans le temps où j'ai fait construire cet instrument, l'égalité des actions des deux conducteurs fixes, par des expériences répétées plusieurs fois avec toutes les précautions nécessaires pour qu'il ne pût rester aucun doute sur leur résultat. On peut aussi démontrer la même loi par une expérience bien simple : il suffit pour cela de prendre un fil de cuivre revêtu de soie dont une portion est rectiligne et l'autre est repliée autour d'elle de manière qu'elle forme des sinuosités quelconques sans se séparer de la première qui en est isolée par la soie qui les recouvre. On constate alors qu'une autre portion de fil conducteur est sans action sur l'assemblage de ces deux portions; et comme elle le serait également sur l'assemblage de deux fils rectilignes parcourus en sens con- 194 traires par un même courant électrique, d'après l'expérience par laquelle on constate de la manière la plus simple le premier cas d'équilibre, il s'ensuit que l'action d'un courant sinueux est précisément égale à celle d'un courant rectiligne compris entre les mêmes extrémités, puisque ces deux actions font l'une et l'autre équilibre à l'action d'un même courant rectiligne de même longueur que ce dernier, mais dirigé en sens contraire. Le troisième cas d'équilibre consiste en ce qu'un circuit fermé de forme quelconque, ne saurait mettre en mouvement une portion quelconque d'un fil conducteur formant un arc de cercle dont le centre est dans un axe fixe, autour duquel il peut tourner librement et qui est perpendiculaire au plan du cercle dont cet arc fait partie. Sur un pied T T' (P. Ire, fig. 3), en forme de table, s'élèvent deux colonnes, E F, E' F', liées entre elles par deux traverses LL', E F'; un axe G H est maintenu entre ces deux traverses dans une position verticale. Ses deux extrémités G, H, terminées en pointes aiguës, entrent dans deux trous coniques pratiqués, l'un dans la traverse inférieure LL', l'autre à l'extrémité d'une vis KZ portée par la traverse supérieure F F', et destinée à presser l'axe GH sans le forcer. En C est fixé invariablement à cet axe un support QO dont l'extrémité O présente une charnière dans laquelle est engagé par son milieu un arc de cercle A A' formé d'un fil métallique qui reste constamment dans une position horizontale, et qui a pour rayon la distance du point O à l'axe GH. Cet arc est équilibré par un contre-poids Q, afin de diminuer le frottement de l'axe G H dans les trous coniques où ses extrémités sont reçues. 195 Au-dessous de l'arc A A' sont disposés deux augets M, M' pleins de mercure, de telle sorte que la surface du mercure, s'élevant au-dessus des bords, vienne toucher l'arc A A' en B et B'. Ces deux augets communiquent par des conducteurs métalliques, M N, M' N', avec des coupes P, P' pleines de mercure. La coupe P et le conducteur MN qui la réunit à l'auget M sont fixés à un axe vertical qui s'enfonce dans la table de manière à pouvoir tourner librement. La coupe P', à laquelle est attaché le conducteur M' N', est traversée par le même axe, autour duquel elle peut tourner aussi indépendamment de l'autre. Elle en est isolée par un tube de verre V qui enveloppe cet axe, et par une rondelle de verre U qui la sépare du conducteur de l'auget M, de manière qu'on peut disposer les conducteurs MN, M' N' sous l'angle qu'on veut. Deux autres conducteurs IR, I' R' attachés à la table plongent respectivement dans les coupes P, P', et les font communiquer avec des cavités R, R' creusées dans la table et remplies de mercure. Enfin, une troisième cavité S pleine également de mercure se trouve entre les deux autres. Voici la manière de faire usage de cet appareil : On fait plonger l'un des rhéophores, par exemple, le rhéophore positif dans la cavité R, et le rhéophore négatif dans la cavité S, qu'on met en communication avec la cavité R' par un conducteur curviligne d'une forme quelconque. Le courant suit le conducteur RI, passe dans la coupe P, de là dans le conducteur N M, dans l'auget M, le conducteur M'N', la coupe P', le conducteur I' R', et enfin de la cavité R' dans le conducteur curviligne qui communique avec le mercure de la cavité S où plonge le rhéophore négatif. 196 D'après cette disposition le circuit voltaïque total est formé: 1° De l'arc BB' et des conducteurs MN, M' N'; 2° D'un circuit qui se compose des parties RIP, P' I' R' de l'appareil, du conducteur curviligne allant de R' en S et de la pile elle-même. Ce dernier circuit doit agir comme un circuit fermé, puisqu'il n'est interrompu que par l'épaisseur du verre qui isole les deux coupes P, P' : il suffira donc d'observer son action sur l'arc BB' pour constater par l'expérience l'action d'un circuit fermé sur un arc dans les différentes positions qu'on peut donner à l'un et à l'autre. Lorsqu'au moyen de la charnière O on met l'arc AA' dans une position telle que son centre soit hors de l'axe G H, cet arc prend un mouvement et glisse sur le mercure des augets M, M' en vertu de l'action du courant curviligne fermé qui va de R' en S. Si au contraire son centre est dans l'axe, il reste immobile; d'où il suit que les deux portions du circuit fermé qui tendent à le faire tourner en sens contraires autour de l'axe exercent sur cet arc des moments de rotation dont la valeur absolue est la même, et cela, quelle que soit la grandeur de la partie BB' déterminée par l'ouverture de l'angle des conducteurs MN, M' N'. Si donc on prend successivement deux arcs BB' qui diffèrent peu l'un de l'autre, comme le moment de rotation est nul pour chacun d'eux, il sera nul pour leur petite différence, et par conséquent pour tout élément de circonférence dont le centre est dans l'axe; d'où il suit que la direction de l'action exercée par le circuit fermé sur l'élément passe par l'axe, et qu'elle est nécessairement perpendiculaire à l'élément. Lorsque l'arc AA' est situé de manière que son centre soit 197 dans l'axe, les portions de conducteur MN, M'N' exercent sur l'arc B B' des actions répulsives égales et opposées, en sorte qu'il ne peut en résulter aucun effet; et puisqu'il n'y a pas de Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr mouvement, on est sûr qu'il n'y a pas de moment de rotation produit par le circuit fermé. Lorsque l'arc A A' se meut dans l'autre situation où nous l'avions d'abord supposé, les actions des conducteurs MN et M'N' ne sont plus égales : on pourrait croire que le mouvement n'est dû qu'à cette différence; mais suivant qu'on approche ou qu'on éloigne le circuit curviligne qui va de R' en S, le mouvement est augmenté ou diminué, ce qui ne permet pas de douter que le circuit fermé ne soit pour beaucoup dans l'effet observé. Ce résultat ayant lieu, quelle que soit la longueur de l'axe A A', aura nécessairement lieu pour chacun des éléments dont cet arc est composé. Nous tirerons de là cette conséquence générale, que l'action d'un circuit fermé, ou d'un ensemble de circuits fermés quelconques, sur un élément infiniment petit d'un courant électrique, est perpendiculaire à cet élément. C'est à l'aide d'un quatrième cas d'équilibre, dont il me reste à parler, qu'on peut achever de déterminer les coefficients constants qui entrent dans ma formule, sans avoir recours, comme je l'avais d'abord fait, aux expériences où un aimant et un fil conducteur agissent l'un sur l'autre. Voici l'instrument à l'aide duquel cette détermination repose uniquement sur l'observation de ce qui a lieu quand ce sont deux fils conducteurs dont on examine l'action mutuelle. Dans la table M N (Pl. Ire, fig. 4), est creusée une cavité A, remplie de mercure, d'où part un conducteur fixe A B C D E F G formé d'une lame de cuivre, la portion C D E est circulaire, 198 et les parties CBA, EFG sont isolées l'une de l'autre par la soie qui les recouvre. En G ce conducteur est soudé à un tube de cuivre GH, surmonté d'une coupe I, qui communique avec le tube par le support HI du même métal. De la coupe I part un conducteur mobile IKLMNPQRS, dont la portion MNP est circulaire; il est entouré de soie dans les parties MLK et PQR pour qu'elles soient isolées, et il est tenu horizontal au moyen d'un contre-poids a fixé sur une circonférence de cercle qu'un prolongement bcg de la lame dont est composé le conducteur mobile forme autour du tube GH. La coupe S est soutenue par une tige ST, ayant le même axe que GH, dont elle est isolée par une substance résineuse que l'on coule dans le tube. Le pied de la tige ST est soudé au conducteur fixe T U V X Y Z A', qui sort du tube GH par une ouverture assez grande pour que la résine l'en isole aussi complètement dans cet endroit qu'elle le fait dans le reste du tube GH, à l'égard de ST. Ce conducteur à sa sortie du tube, est revêtu de soie pour empêcher la portion TUV de communiquer avec Y Z A'. Quant à la portion VXY, elle est circulaire, et l'extrémité A' plonge dans une seconde cavité A' creusée dans la table et pleine de mercure. Les centres O, O', O" des trois portions circulaires sont en ligne droite; les rayons des cercles qu'elles forment sont en proportion géométrique continue, et l'on place d'abord le conducteur mobile de manière que les distances OO', O'O" sont dans le même rapport que les termes consécutifs de cette proportion; de sorte que les cercles O et O' forment un système semblable à celui des cercles O' et O". On plonge alors le rhéophore positif en A et le rhéophore négatif en A', le courant parcourt successivement les trois cercles dont les centres sont en O, O', O", qui se repoussent deux à deux, parce que 199 le courant va en sens opposés dans les parties voisines. Le but de l'expérience qu'on fait avec cet instrument est de prouver que le conducteur mobile reste en équilibre dans la position où le rapport de OO' à O' O" est le même que celui des rayons de deux cercles consécutifs, et que si on l'écarte de cette position il y revient en oscillant autour d'elle. Je vais maintenant expliquer comment on déduit rigoureusement de ces cas d'équilibre la formule par laquelle j'ai représenté l'action mutuelle de deux éléments de courant voltaïque, en montrant que c'est la seule force agissant suivant la droite qui en joint les milieux qui puisse s'accorder avec ces données de l'expérience. Il est d'abord évident que l'action mutuelle de deux éléments de courants électriques est proportionnelle à leur longueur ; car, en les supposant divisés en parties infiniment petites égales à leur commune mesure, toutes les attractions ou répulsions de ces parties, pouvant être considérées comme dirigées suivant une même droite, s'ajoutent nécessairement. Cette même action doit encore être proportionnelle aux intensités des deux courants. Pour exprimer en nombre l'intensité d'un courant quelconque, on concevra qu'on ait choisi un autre courant arbitraire pour terme de comparaison, qu'on ait pris deux éléments égaux dans chacun de ces courants, qu'on ait cherché le rapport des actions qu'ils exercent à la même distance sur un même élément de tout autre courant, dans la situation où il leur est parallèle et où sa direction est perpendiculaire aux droites qui joignent son milieu avec les milieux de deux autres éléments. Ce rapport sera la mesure d'une des intensités, en prenant l'autre pour unité. Désignant donc par i et i' les rapports des intensités des deux courants donnés à l'intensité du courant pris pour 200 unité, et par ds, d s' les longueurs des éléments que l'on considère dans chacun d'eux; leur action mutuelle, quand ils seront perpendiculaires à la ligne qui joint leurs milieux, parallèles entre eux et situés à l'unité de distance l'un de l'autre, sera exprimée par ii' ds ds'; que nous prendrons avec le signe + quand les deux courants, allant dans le même sens, s'attireront, et avec le signe – dans le cas contraire. Si l'on voulait rapporter l'action des deux éléments à la pesanteur, on prendrait pour unité de forces le poids de l'unité de volume d'une matière convenue. Mais alors le courant pris pour unité ne serait plus arbitraire; il devrait être tel, que l'attraction entre deux de ses éléments ds, ds', situés comme nous venons de le dire, pût soutenir un poids qui fût à l'unité de poids comme dsds' est à I. Ce courant une fois déterminé, le produit ii' ds ds' désignerait le rapport de l'attraction de deux éléments d'intensités quelconques, toujours dans la même situation, au poids qu'on aurait choisi pour unité de force. Cela posé, si l'on considère deux éléments placés d'une manière quelconque; leur action mutuelle dépendra de leurs longueurs, des intensités des courants dont ils font partie, et de leur position respective. Cette position peut se déterminer au moyen de la longueur r de la droite qui joint leurs milieux, des angles et θ et θ' que font, avec un même prolongement de cette droite, les directions des deux éléments pris dans le sens de leurs courants respectifs, et enfin de l'angle ω que font entre eux les plans menés par chacune de ces directions et par la droite qui joint les milieux des éléments. La considération des diverses attractions ou répulsions observées dans la nature me portait à croire que la force dont je cherchais l'expression, agissait de même en raison inverse 201 de la distance; je la supposai, pour plus de généralité, en raison inverse de la puissance nième de cette distance, n étant une constante à déterminer. Alors en représentant par ρ, la fonction inconnue des angles θ, θ', ω, j'eus r ii′dsds′ n r pour l'expression générale de l'action de deux éléments ds, ds' de deux courants ayant pour intensités i et i'. Il me restait à déterminer la fonction ρ, je considérai d'abord pour cela deux éléments ad, a'd' (pl. Ire, fig. 5) parallèles entre eux, perpendiculaires à la droite qui joint leurs milieux, et situés à une distance quelconque r l'un de l'autre; leur action étant exprimée d'après ce qui précède par ii′dsds′ n r , je supposai que ad restât fixe, et que a'd' fût transporté parallèlement à lui-même, de manière que son milieu fût toujours à la même distance de celui de ad; ω étant toujours nul, la valeur de leur action mutuelle ne pouvait dépendre que des angles désignés ci-dessus par θ, θ', et qui, dans ce cas, sont égaux ou suppléments l'un de l'autre, selon que les courants sont dirigés dans le même sens ou en sens opposés; je trouvai ainsi pour cette valeur ii′dsds′j q,q ′ nJ N r . En nommant k la constante positive ou négative à laquelle se réduit φ (θ,θ') quand l'élément a'd' est en a'''d''' dans le prolongement de ad, et dirigé dans le même sens, j'obtins Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr kii′dsds′ n r pour l'expression de l'action de ad sur a'''b'''; dans cette expression la constante k représente le rapport de l'action de ad sur ad''' à celle de ad sur a'd', rapport indépendant de la distance r, des intensités i, i', et des longueurs ds, ds' des deux éléments que l'on considère. Ces valeurs de l'action électro-dynamique, dans les deux 202 cas les plus simples, suffisent pour trouver la forme générale de la fonction ρ, en partant de l'expérience qui montre que l'attraction d'un élément rectiligne infiniment petit est la même que celle d'un autre élément sinueux quelconque, terminé aux deux extrémités du premier, et de ce théorème que je vais établir, savoir : qu'une portion infiniment petite de courant électrique n'exerce aucune action sur une autre portion infiniment petite d'un courant situé dans un plan qui passe par son milieu, et qui est perpendiculaire à sa direction. En effet, les deux moitiés du premier élément produisent sur le second des actions égales, l'une attractive et l'autre répulsive, parce que dans l'une de ces moitiés le courant va en s'approchant et dans l'autre en s'éloignant de la perpendiculaire commune. Or, ces deux forces égales font un angle qui tend vers deux angles droits à mesure que l'élément tend vers zéro. Leur résultante est donc infiniment petite par rapport à ces forces, et doit par conséquent être négligée dans le calcul. Cela posé, soient Mm (fig. 6)=ds et M'm=ds', deux éléments de courants électriques, dont les milieux soient aux points A et A'; faisons passer le plan MA'm par la droite AA' qui les joint, et par l'élément Mm. Substituons à la portion de courant ds qui parcourt cet élément, sa projection Nn=ds cosθ sur la droite AA', et sa projection Pp=ds sinθ sur la perpendiculaire élevée en A cette droite dans le plan MA'm; substituons ensuite à la portion de courant ds' qui parcourt M'm' sa projection N'n'=ds' cosθ sur la droite AA' et sa projection P'p'=ds' sinθ' sur la perpendiculaire à AA' menée par le point A' sur AA' dans le plan M'Am'; remplaçons enfin cette dernière par sa projection T't'=ds' sinθ' cosω sur le plan 203 MA'm et par sa projection U'u'=ds' sinθ' sin sur la perpendiculaire à ce plan menée par le point A'; d'après la loi établie ci-dessus, l'action des deux éléments ds et ds' sera la même que celle de l'assemblage des deux portions de courants ds cosθ et ds sinθ sur celui des trois portions ds' cosθ', ds' sinθ' cosω, ds' sinθ' sinω; cette dernière ayant son milieu dans le plan MAm auquel elle est perpendiculaire, il n'y aura aucune action entre elle et les deux portions dscosθ, dssinθ, qui sont dans ce plan. Il ne pourra non plus, par la même raison, y en avoir aucune entre les portions dscosθ, ds'sinθ'cosω, ni entre les portions dssinθ, ds'cosθ', puisqu'en concevant par la droite AA' un plan perpendiculaire au plan MA'm, dscosθ et ds'cosθ' se trouvent dans ce plan, et que les portions ds'sinθ'cosω et dssinθ lui sont perpendiculaires et ont leurs milieux dans ce même plan. L'action des deux élements ds et ds' se reduit donc à la réunion des deux actions restantes, savoir : l'action mutuelle de dssinθ et de ds'sinθ'cosω et à celle de dscosθ et de ds'cosθ', ces deux actions étant toutes deux dirigées suivant la droite AA' qui joint les milieux des portions de courants entre lesquelles elles s'exercent, il suffit de les ajouter pour avoir l'action mutuelle des deux éléments ds et ds'. Or les portions dssinθ et ds'sinθ'cosω sont dans un même plan, et toutes deux perpendiculaires à la droite AA'; leur action mutuelle suivant cette droite est donc, d'après ce que nous de voir, égale à ii′dsds′sinq sinq ′cosw n r et celle des deux portions dscosθ et ds'cosθ' dirigée sui- 204 vant la même droite AA', a pour valeur ii′kdsds′cosq cosq ′, n r et par conséquent l'action des deux éléments d s, d s' l'un sur l'autre est nécessairement exprimée par ii′drsnds′ sinq sinq ′cosw+ kcosq cosq ′ . (cid:1) (cid:2) On simplifie cette formule en y introduisant l'angle θ des deux éléments au lieu de ω; car en considérant le triangle sphérique dont les côtés seraient θ, θ', ε, on a cose= cosq cosq ′+sinq sinq ′cosw; d'où sinq sinq ′cosw= cose −cosq cosq ′; substituant dans la formule précédente et faisant k–1=h, elle devient ii′drsnds′ cose+ hcosq cosq ′ , (cid:1) (cid:2) et il est bon de remarquer qu'elle change de signe quand un seul des courants, par exemple celui de l'élément d s, prend une direction diamétralement opposée à celle qu'il avait, car alors cosθ et cosε changent de signe, et cosθ' reste le même. Cette valeur de l'action mutuelle de deux éléments n'a été déduite que de la substitution des projections d'un élément à cet élément même; mais il est facile de s'assurer qu'elle exprime qu'on peut substituer à un élément un contour polygonal quelconque, et par suite un arc 205 quelconque de courbe terminé aux mêmes extrémités, pourvu que toutes les dimensions de ce polygone ou de cette courbe soient infiniment petites. Soient, en effet, d s1, d s2,... d sm les différents côtés du polygone infiniment petit substitué à d s; la direction AA' pourra toujours être considérée comme celle des lignes qui joignent les milieux respectifs de ces côtés avec A'. Soient θ1, θ2,... θm les angles qu'ils font respectivement avec AA'; et ε1, ε2,... εm ceux qu'ils font avec M' m', en désignant, suivant l'usage, par σ une somme de termes de même forme, la somme des actions des côtés d s1, ds2,... d sm sur d s', sera iir′dns′ S ds1cose 1+hcosq ′ ds1cosq 1 (cid:1) (cid:3) (cid:2) Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr Or Σ d s, cosε, est la projection du contour polygonal sur la direction de d s', et est par conséquent égal à la projection de d s' sur la même direction, c'est-à-dire à d s cosε; de même Σd s1, cosθ1, est égal à la projection de d s sur AA' qui est d s cosθ; l'action exercée sur d s' par le contour polygonal terminé aux extrémités de d s a donc pour expression iir′dns′ dscose +hdscosq cosq ′ (cid:1) (cid:2) et est la même que celle de d s sur d s. Cette conséquence étant indépendante du nombre des côtés d s1, d s2,... d sm, aura lieu pour un arc infiniment petit d'une courbe quelconque. On prouverait semblablement que l'action de d s' sur d s, peut être remplacée par celle qu'une courbe infiniment petite quelconque, dont les extrémités seraient les mêmes que 206 celles de d s', exercerait sur chacun des éléments de la petite courbe que nous avons déja substituée à d s, et par conséquent sur cette petite courbe elle-même. Ainsi la formule que nous avons trouvée exprime qu'un élément curviligne quelconque produit le même effet que la portion infiniment petite de courant rectiligne terminée aux mêmes extrémités, quelles que soient d'ailleurs les valeurs des constantes n et h. L'expérience par laquelle on constate ce résultat ne peut donc servir en rien à déterminer ces constantes. Nous aurons alors recours aux deux autres cas d'équilibre dont nous avons déja parlé. Mais auparavant nous transformerons l'expression précédente de l'action de deux éléments de courants voltaïques, en y introduisant les différentielles partielles de la distance de ces deux éléments. Soient x, y, z les coordonnées du premier point, et x', y', z' celles du second, il viendra cosq= x−x′dx+y−y′dy+z−z′dz, r ds r ds r ds cosq ′=x−rx′ddxs′+y−ry′ddsy′′+z−rz′ddzs′′, mais on a 2 2 2 2 r = x x′ + y y′ + z z′ , − − − (cid:1) (cid:2) (cid:1) (cid:2) (cid:1) (cid:2) d'où, en prenant successivement les coefficients différentiels partiels par rapport à s et s', dr dx dy dz rds= x−x′ ds+ y−y′ ds+ z−z′ ds, (cid:1) (cid:2) (cid:1) (cid:2) (cid:1) (cid:2) rddsr′= −(cid:1)x−x′(cid:2)ddxs′′−(cid:1)y−y′(cid:2)ddsy′′−(cid:1)z−z′(cid:2)ddzs′′, 207 ainsi dr dr cosq= ds,cosq ′= −ds′. Pour avoir la valeur de cosε, nous observerons que dx,dy,dz, etdx′,dy′,dz′ ds ds ds ds′ ds′ ds′ sont les cosinus des angles que d s et d s', forment avec les trois axes, et nous en conclurons cose= dx·dx′+dy·dy′+dz·dz′ ds ds′ ds ds′ ds ds′ Or, en différentiant par rapport à s' l'équation précédente qui donne dr r ds , on trouve 2 r d r +dr· dr = dx·dx′ dy·dy′ dz·dz′= cose dsds′ ds ds′ −ds ds′−ds ds′−ds ds′ − Si l'on substitue, dans la formule qui représente l'action mutuelle des deux éléments d s, d s', au lieu de cosθ, cosθ, cosε, les valeurs que nous venons d'obtenir, cette formule deviendra, en remplaçant I + h par son égal k, 2 ii′dsnds′ r d r +kdr· dr , − r (cid:4) dsds′ ds ds′(cid:5) qu'on peut mettre sous la forme kdr −ii′drnsds′·rk−1 1·d(cid:1)rds′ds(cid:2), Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr ou enfin kdr 1 n kd r ds ii′r − − (cid:1)ds′ (cid:2)dsds′ 208 On pourrait encore lui donner la forme suivante: 2 1+k −1i+i′kr1−n−kd (cid:1)drsds′ (cid:2)dsds′. Examinons maintenant ce qui résulte du troisième cas d'équilibre dont nous avons parlé, et qui démontre que la composante de l'action d'un circuit fermé quelconque sur un élément, suivant la direction de cet élément, est toujours nulle, quelle que soit la forme du circuit. En désignant par ds' l'élément en question, l'action d'un élément ds du circuit fermé sur ds' sera, d'après ce qui précède, k dr d r −ii′ds′·r1−n−k (cid:6) dsds′(cid:7)ds, ou, en remplaçant dr ds′par−cosq ′, ii′ds′r1−n−kd(cid:1)rkdcossq ′(cid:2)ds; la composante de cette action suivant d s' s'obtiendra en multipliant cette expression par cosθ', et sera ii′ds′r1−n−kcosq ′d(cid:1)rkdcossq ′(cid:2)ds. Cette différentielle intégrée dans toute l'étendue du circuit s donnera la composante tangente totale, et devra être nulle, quelle que soit la forme de ce circuit. En l'intégrant par partie, après l'avoir écrite ainsi ii′ds′r1−n−2krkcosq ′d(cid:1)rkdcossq ′(cid:2)ds. nous aurons 209 12ii′ds′Cr1−ncos2q ′−(1−n−2k)(cid:8)r1−ncos2q ′dr(cid:9). Le premier terme r1−ncos2q ′ s'évanouit aux limites. Quant à l'intégrale r−ncos2q ′dr (cid:8) , il est très-facile de concevoir un circuit fermé pour lequel elle ne se réduise pas à zéro. En effet, si on coupe ce circuit par des surfaces sphériques très-rapprochées ayant pour centre le milieu de l'élément d s', les deux points où chacune de ces sphères coupera le circuit donneront la même valeur pour r et des valeurs égales et de signes contraires pour d r; mais les valeurs de cos2θ' pourront être différentes, et il y aura une infinité de manières de faire en sorte que les carrés de tous les cosinus relatifs aux points situés d'un même côté entre les points extrêmes du circuit soient moindres que ceux relatifs aux points correspondants de l'autre côté; or, dans ce cas, l'intégrale ne s'évanouira pas; et comme l'expression ci-dessus doit être nulle, quelle que soit la forme du circuit, il faut donc que le coefficient 1–n–2k de cette intégrale soit nul, ce qui donne entre n et k cette première relation 1–n–2k=0. Avant de chercher une seconde équation pour déterminer ces deux constantes, nous commencerons par prouver que k est négatif, et, par conséquent, que n=1–2k est plus grand que 1; nous aurons recours pour cela à un fait bien facile à constater par l'expérience, savoir qu'un conducteur rectiligne indéfini attire un circuit fermé, quand le courant électrique de ce circuit va dans le même sens que celui du conducteur dans la partie qui en est la plus voisine, et qu'il le repousse dans le cas contraire. Soit UV (fig. 7) le conducteur rectiligne indéfini; suppo- 210 sons pour plus de simplicité que le circuit fermé THK T'K'H' soit dans le même plan que le fil conducteur UV, et cherchons l'action exercée par un élément quelconque MM' de ce dernier. Pour cela tirons du milieu A de cet élément des rayons vecteurs à tous ces points du circuit, et cherchons l'action perpendiculaire à UV exercée par cet élément sur le circuit. La composante perpendiculaire à UV de l'action exercée par MM'=ds' sur un élément KH=ds s'obtiendra en multipliant l'expression de cette action par sinθ'; elle sera donc, en observant que λ–n–2k=0, ii′ds′sinq ′rkd(cid:1)rkdcsosq ′(cid:2)ds, ou Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr 12ii′ds′tangq ′d(cid:1)r2kdcoss2q ′(cid:2)ds, expression qui doit être intégrée dans toute l'étendue du circuit. L'intégration par parties donnera 12ii′ds′ r2ksinq ′cosq ′− r2kdq ′ . (cid:6) (cid:8) (cid:7) Le premier terme s'évanouissant aux limites, il reste seulement −12ii′ds′ r2kdq ′. (cid:8) Considérant maintenant les deux éléments KH, K'H' compris entre les deux mêmes rayons consécutifs, dθ' est le même de part et d'autre, mais doit être pris avec un signe contraire, en sorte qu'en faisant AH=r, AH'=r', on a pour l'action réunie des deux éléments −12ii′ds′ÍÎÏÎÎÎÎÎÎ r′2k−r2k dq ′ , (cid:8)(cid:6) (cid:7) (cid:9) 211 où nous supposons que r' est plus grand que r. Le terme de cette intégrale qui résulte de l'action de la partie THT' convexe vers UV l'emportera sur celui qui est produit par l'action de la partie concave TH'T' si k est négatif; le contraire aura lieu si k est positif, et il n'y aura pas d'action si k est nul. Les mêmes conséquences ayant lieu pour tous les éléments de UV, il s'ensuit que la partie convexe vers UV aura plus d'influence sur le mouvement du circuit que la partie concave, si k < 0, autant si k=0, et moins si k > 0. Or l'expérience prouve qu'elle en a davantage. On a donc k < 0, et par suite n > 1, puisque n=1–2k. On déduit de là cette conséquence remarquable, que les parties d'un même courant rectiligne se repoussent; car si l'on fait θ=0, θ'=0, la formule qui donne l'attraction de deux éléments devient kii′dsds′ n r ; et comme elle est négative, puisque k l'est, il y a répulsion. C'est ce que j'ai vérifié par l'expérience que je vais décrire. On prend un vase de verre PQ (fig. 8) séparé par la cloison MN en deux compartiments égaux et remplis de mercure, on y place un fil de cuivre recouvert de soie ABCDE, dont les branches AB, ED, situées parallèlement à la cloison MN, flottent sur le mercure avec lequel communiquent les extrémités nues A et E de ces branches. En mettant les rhéophores dans les capsules S et T, dont le mercure communique avec celui du vase PQ par les portions de conducteur h H, kK, on établit deux courants, dont chacun a pour conducteur une partie de mercure et une partie solide : quelle que soit la direction du courant, on voit toujours les deux fils AB, ED marcher parallèlement à la cloison MN en s'éloignant des points H et K, ce qui indique une répul- 212 sion pour chaque fil entre le courant établi dans le mercure et son prolongement dans le fil lui-même. Suivant le sens du courant, le mouvement du fil de cuivre est plus ou moins facile, parce que, dans un cas, l'action exercée par le globe sur la portion BCD de ce fil, s'ajoute à l'effet obtenu, et que dans l'autre au contraire, elle le diminue et doit en être retranchée. Examinons maintenant l'action qu'exerce un courant électrique formant un circuit formé, ou un système de courants formant aussi des circuits fermés, sur un élément de courant électrique. Prenons l'origine des coordonnées au milieu A (fig. 9) de l'élément proposé M'N', et nommons λ, µ, ν, les angles qu'il fait avec les trois axes. Soit MN un élément quelconque du courant formant un circuit fermé, ou d'un des courants formant également des circuits fermés dont se compose le système de courants que l'on considère, en nommant d s' et d s les éléments M'N', MN, r la distance AA' de leurs milieux et θ' l'angle du courant M'N' avec AA', la formule que nous avons trouvée précédemment pour exprimer l'action mutuelle des deux éléments deviendra, en y remplaçant dr dspar−cosq′ . ii′ds′rkdJrncdossq ′Nds. Les angles que AA' fait avec les trois axes ayant pour cosinus x y z , , , r r r on a x y z cosq ′=rcosl+ rcosm+ rcosn; x en substituant cette valeur à cosθ, et en multipliant par y nous trouverons pour l'expression de la composante suivant l'axe des x, 213 ii′ds′rk−1xdrk−1xcosl+ rk−1ycosm+ rk−1zcosn , K O le signe d se rapportant seulement, excepté dans le facteur d s', aux différentielles prises en ne faisant varier que s, cette expression peut s'écrire ainsi =ii′ds′ÍÎÏÎÎÎÎÎÎcosl rk−1xdKrk−1xO+xcoysm rk−1ydKrk−1yO+xcozsn rk−1zdKrk−1zO(cid:9) =12ii′ds′ÍÎÏÎÎÎÎÎÎcosl dKr2k−2x2O+xycosm dKr2k−2y2O+xycosn dKr2k−2z2O(cid:9) Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr 2 2 2 1 x cosl+ xycosm+ xzcosn y cosm x z cosn x =2ii′ds′(cid:4)d rn+1 − rn+1 dy− rn+1 dy(cid:5) =12ii′ds′(cid:4)dxcronsq ′+xdryn−+1ydxcosm −zdrxn−+x1dzcosn (cid:5), en remplaçant 2k–2 par sa valeur –n–1. Si l'on représente par r1, x1, θ', et r2, x2, θ'2, les valeurs de r, x, θ', aux deux extrémités de l'arc s, et par X la résultante suivant l'axe des x de toutes les forces exercées par les éléments de cet arc sur d s', on aura X=12ii′ds′(cid:4)x2cro2nsq ′2−xcors1nq ′1+cosm · xdryn−+1ydx−cosn · zdrxn−+x1dz(cid:5) Si cet arc forme un circuit fermé r2, x2, θ'2 seront égaux à 214 r, x, θ', et la valeur de X se réduira à 1 xdy ydx zdx xdz X=2ii′ds′(cid:4)cosm · rn−+1 −cosn · rn−+1 (cid:5) En désignant par Y et Z les forces suivant les axes des y, et des z résultant de l'action des mêmes éléments sur ds', on trouvera par un calcul semblable 1 ydz zdy xdy ydx Y=2ii′ds′(cid:4)cosn · rn−+1 −cosl · rn−+1 (cid:5) 1 zdx xdz ydz zdy Z=2ii′ds′(cid:4)cosl · rn−+1 −cosm · rn−+1 (cid:5) et en faisant ydz zdy zdx xdz xdy ydx n−+1 =A, n−+1 =B, n−+1 =C · r · r · r il viendra 1 X=2ii′ds′(Ccosm −Bcosn), 1 Y=2ii′ds′(Acosn −Ccosl), 1 Z=2ii′ds′(Bcosl −Acos)m. En multipliant la première de ces équations par A, la seconde par B et la troisième par C, on trouve AX+BY+CZ=0; et si l'on conçoit par l'origine une droite A'E qui fasse avec les axes des angles dont les cosinus soient respectivement A B C =cosx 1, =cosh 1, =cosz 1. B D D en supposant, pour abréger, 215 A2+B2+C2=D, (cid:10) elle sera perpendiculaire sur la résultante R des trois forces X, Y, Z, qui fait avec les axes des angles dont les cosinus sont X Y Z , , , R R R puisqu'on a, en vertu de l'équation précédente, A X B Y C Z · + · + · =0 D R D X D R Il est à remarquer que la droite que nous venons de déterminer est tout-à-fait indépendante de la direction de l'élément M' N'; car elle se déduit immédiatement des intégrales A, B, C qui ne dépendent que du circuit fermé et de la position des plans coordonnés, et qui sont les sommes des projections sur les plans coordonnés des aires des triangles qui ont leur sommet au milieu de l'élément ds', et pour bases les différents éléments des circuits fermés s, toutes ces aires étant divisées par la puissance n + 1 du rayon vecteur r. La résultante étant perpendiculaire sur cette droite A'E que je nommerai directrice, elle se trouve, quelle que soit la direction de l'élément, dans le plan élevé au point A' perpendiculairement à A'E; je donnerai à ce plan le nom de plan directeur. Si l'on fait la somme des carrés de X, Y, Z, on trouvera pour valeur de la résultante de l'action du circuit unique ou de l'ensemble de circuits que l'on considère, Source : @.ampère et l'histoire de l'électricité - http://www.ampere.cnrs.fr
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