La Defaillance du Paratonnerre Pointu de Franklin
Famous Scientific Illusions · II — The Electrical Experimenter · Février 1919 · pages 694, 728 et 730
Cette page reproduit la deuxième partie de Famous Scientific Illusions, l’essai en trois parties que Nikola Tesla a écrit pour The Electrical Experimenter en 1919 — la partie où il prend l’instrument le plus généralement tenu pour fiable de la protection contre la foudre, la tige pointue de Franklin, et montre ce que sa pointe fait réellement. Le texte est transcrit intégralement, les figures sont celles imprimées avec lui, et la page est présentée dans le mode de lecture de cette archive : papier par défaut, nuit à la demande.
Une pointe qui invite la foudre
Le paratonnerre de Franklin était destiné à accomplir deux choses : conduire une décharge sûrement vers la terre et drainer un nuage chargé avant qu’il ne frappe. Il fait la première raisonnablement bien. La seconde, Tesla le montre, il la fait à peine – et dans cette tentative, il fait quelque chose de pire : la tige ionise l’air au niveau de la pointe, et c’est précisément cet air ionisé que parcourt une décharge.
Le raisonnement de l’article est celui d’un homme qui a passé sa vie sur les courants haute fréquence. Une pointe de longueur h sur une sphère de rayon r concentre la densité de la charge ; l’avantage d’utiliser la pointe au lieu d’un grand corps lisse diminue dans le rapport (r+h)/(nr+h) à mesure que le corps grossit – donc sur un conducteur aussi vaste que la terre, les pointes sont pratiquement inutiles. Ce qui reste est la décharge brute, et un conducteur (paratonnerre) qui invite ce qu’il devait empêcher. La réponse de Tesla lui-même, brevetée l’année précédente, est un dome d’une aire considérable et d’un grand rayon de courbure.
Fac-similé de la page 694, où la deuxième partie s’ouvre dans la moitié inférieure de la page. L’article saute ensuite aux pages 728 et 730 — le magazine avait rempli les pages intermédiaires de publicité.
THE ELECTRICAL EXPERIMENTER
FÉVRIER 1919 · PAGES 694, 728 ET 730
Nikola Tesla, écrivant spécialement pour The Electrical Experimenter – et le second chapitre concerne l’une des trois « fameuses illusions scientifique ».
Dans cette discussion originale et révolutionnaire, Nikola Tesla nous donne quelque chose de vraiment nouveau à réfléchir. Premièrement – La lune tourne-t-elle sur son axe ? Deuxièmement – Le paratonnerre pointu de Franklin est-il correct en théorie et en fonctionnement ? Troisièmement – Les signaux sans fil voyagent-ils dans l’espace grâce aux soi-disant ondes hertziennes de l’éther, ou sont-ils propagés à travers la terre à une vitesse prodigieuse par des oscillations liées au sol ? Ce sont là des énigmes mondialement célèbres qui ont été répondues de nombreuses façons par certains des plus grands scientifiques. Le Dr Tesla explique ces trois fausses sciences prédominantes d’une manière magistrale, afin que tout le monde puisse les comprendre.
II. La Defaillance du Paratonnerre Pointu de Franklin
Le texte complet de la partie II, reproduit tel qu’imprimé – traduction depuis le texte originale en anglais.
L’affichage de l’électricité atmosphérique a depuis toujours été l’un des spectacles les plus merveilleux offerts à la vue de l’homme. Sa grandeur et sa puissance le remplissaient de peur et de superstition. Pendant des siècles, il attribuait la foudre à des agents divins et surnaturels et son but dans le schéma de cet univers lui restait inconnu.
Nous avons maintenant appris que les eaux de l’océan sont soulevées par le soleil et maintenues délicatement suspendues dans l’atmosphère, qu’elles sont portées vers des régions lointaines du globe où les forces électriques s’affirment en bouleversant l’équilibre sensible et causant la précipitation, soutenant ainsi toute vie organique.
Il y a tout lieu d’espérer que l’homme sera bientôt capable de contrôler ce flux vital d’eau et par là résoudre de nombreux problèmes pressants de son existence.
L’électricité atmosphérique devint un sujet d’intérêt scientifique particulier au temps de Franklin.
Faraday n’avait pas encore annoncé ses découvertes épiques sur l’induction magnétique, mais les machines statiques à frottement étaient déjà généralement utilisées dans les laboratoires physiques.
L’esprit puissant de Franklin sauta immédiatement à la conclusion que l’électricité par frottement et l’électricité atmosphérique étaient identiques.
À notre vue actuelle, cette inférence paraît évidente, mais à son époque, le simple fait d’y penser était à peine moins qu’une blasphème.
Il étudia les phénomènes et argumenta que si elles étaient de la même nature, alors les nuages pouvaient être drainés de leur charge exactement comme la boule d’une machine statique, et en 1749, il indiqua dans un mémoire publié comment cela pouvait se faire par l’utilisation de tiges métalliques pointues.
Les premiers essais furent faits par Dalibrand en France, mais Franklin lui-même fut le premier à obtenir une étincelle en utilisant un cerf-volant, en juin 1752. Lorsque ces décharges atmosphériques se manifestent aujourd’hui dans notre station sans fil, nous sommes gênés et souhaitons qu’elles s’arrêtent, mais pour l’homme qui les a découvertes, elles lui apportèrent des larmes de joie.
Le conducteur de foudre sous sa forme classique fut inventé par Benjamin Franklin en 1755 et immédiatement après son adoption, il prouva être un succès à un degré certain. Comme d’habitude cependant, ses vertus furent souvent exagérées.
Ainsi, par exemple, on prétendait sérieusement que dans la ville de Piatermaritzburg (capitale du Natal, Afrique du Sud), aucun coup de foudre ne survenait après l’installation des tiges pointues, bien que les orages fussent aussi fréquents qu’avant.
L’expérience a montré que c’est exactement le contraire qui est vrai. Une ville moderne comme New York, présentant une infinité de pointes et de projections en bon contact avec la terre, est frappée beaucoup plus souvent qu’une superficie équivalente de terrain.
Des relevés statistiques, soigneusement compilés et publiés de temps à autre, démontrent que le danger de la foudre pour les biens et la vie a été réduit à un petit pourcentage par l’invention de Franklin, mais les dégâts par incendie s’élèvent néanmoins à plusieurs millions de dollars annuellement.
Il est étonnant que cet appareil, qui est en usage universel depuis plus d’un siècle et demi, soit trouvé impliquer une fausse science grossière dans sa conception et construction qui altère son utilité et peut même rendre son emploi dangereux sous certaines conditions.
Pour l’explication de ce fait curieux, je peux tout d’abord me référer à la Fig. 3, dans laquelle s est une sphère métallique de rayon r, telle que la borne terminale d’une machine statique, pourvue d’un clou très pointu de longueur h, comme indiqué. Il est bien connu que ce dernier a la propriété de dissiper rapidement la charge accumulée dans l’air.
Pour examiner cette action à la lumière des connaissances actuelles, nous pouvons comparer le potentiel électrique à la température. Imaginez que la sphère s soit chauffée à T degrés et que la pointe ou la barre métallique soit un conducteur parfait de chaleur de sorte que son extrémité est à la même température T.
Alors si une autre sphère de plus grand rayon, v1, est dessinée autour de la première et que la température le long de cette frontière est T1, il est évident qu’il y aura entre l’extrémité de la barre et son environnement une différence de température T – T1 qui déterminera l’écoulement de chaleur.
Évidemment, si le milieu adjacent n’était pas affecté par la sphère chaude, cette différence de température serait plus grande et plus chaleur serait donnée. Exactement ainsi dans le système électrique.
Le diagramme de l’article, avec sa légende originale : « Diagramme utilisé pour expliquer la defaillance du paratonnerre pointu de Franklin, et une analogie par laquelle l’auteur montre d’une manière claire comment la sphère chargée peut, à titre d’illustration, être considérée comme chauffée à un degré élevé, et la chaleur autorisée à s’échapper à un taux connu. »
Soit q la quantité de charge, alors la sphère – et en raison de sa grande conductivité aussi la pointe – sera au potentiel \(q/r\). Le milieu autour de la pointe du clou sera au potentiel \(q/r_1 = q/(r+h)\) et, par conséquent, la différence
\[\frac{q}{r} – \frac{q}{r+h} = \frac{qh}{r(r+h)}\]
Supposons maintenant qu’une sphère S de beaucoup plus grand rayon R = nr soit employée contenant une charge Q , cette différence de potentiel sera, analogiquement \(Qh/R(R+h)\).
Selon les principes élémentaires de l’électrostatique, les potentiels des deux sphères s et S seront égaux si \(Q = nq\) dans lequel cas
\[\frac{Qh}{R(R+h)} = \frac{nqh}{nr(nr+h)} = \frac{qh}{r(nr+h)}\]
Ainsi la différence de potentiel entre la pointe du clou et le milieu autour du même sera plus petite dans le rapport \(\dfrac{r+h}{nr+h}\) lorsque la grande sphère est utilisée.
Dans de nombreux tests scientifiques et expériences, cette observation importante a été négligée avec le résultat de causer des erreurs graves.
Sa signification est que le comportement de la tige pointue dépend entièrement des dimensions linéaires du corps électrifié. Sa qualité à donner la charge peut être entièrement perdue si ce dernier est très grand.
Pour cette raison, toutes les pointes ou projections sur la surface d’un conducteur de telles dimensions vastes que la terre seraient tout à fait inefficaces s’il n’y avait pas d’autres influences.
Celles-ci seront éclaircies avec référence à la Fig. 4, dans laquelle notre artiste de l’école impressionniste a mis en évidence la notion de Franklin selon laquelle sa tige tirait l’électricité des nuages. Si la terre n’était pas entourée par une atmosphère qui est généralement chargée opposément, elle se comporterait, malgré toutes ses irrégularités de surface, comme une sphère polie.
Mais en raison des masses électrifiées d’air et de nuage, la distribution est grandement modifiée.
Ainsi dans la Fig. 4, la charge positive du nuage induit dans la terre une charge opposée équivalente, la densité à la surface de ce dernier diminuant avec le cube de la distance depuis le centre statique du nuage. Une décharge par brosse est alors formée à la pointe de la tige et l’action que Franklin anticipait a lieu.
Illustration de l’article, avec sa légende originale : « Tesla explique la defaillance du paratonnerre pointu de Franklin… La densité des pointes indique l’intensité des charges. »
En outre, l’air environnant est ionisé et rendu conducteur, et, éventuellement, une décharge peut frapper le bâtiment ou un autre objet à proximité. La vertu de l’extrémité pointue pour dissiper la charge, qui était primordiale dans l’esprit de Franklin, est cependant infinitésimale.
Des mesures soigneuses montrent qu’il faudrait plusieurs années avant que l’électricité stockée dans un seul nuage de taille modérée soit drainée ou neutralisée à travers un tel conducteur d’éclair.
La pointe mise à terre a la qualité de rendre inoffensif la plupart des coups qu’elle reçoit, quoique occasionnellement la charge est déviée avec des résultats dommageables.
Mais, ce qui est très important à noter, il invite danger et hazard en raison de la fausse science impliquée dans sa conception. La pointe aiguë qui était pensée avantageuse et indispensable à son fonctionnement, est vraiment un défaut qui détruit considérablement la valeur pratique de l’appareil. J’ai produit une forme beaucoup plus améliorée de protecteur de foudre caractérisée par l’emploi d’un terminal d’aire considérable et grand rayon de courbure qui rend impossible la densité excessive de la charge et ionisation de l’air.* Ces protecteurs agissent comme des quasi-répulsifs et n’ont jamais été frappés quoique exposés longtemps.
Leur sécurité est démontrée expérimentalement à grandement excéder celle inventée par Franklin. Par leur usage, des biens d’une valeur de millions de dollars qui sont maintenant perdus annuellement, peuvent être sauvés.
*Se référer au numéro d’octobre 1918 de ce journal où la nouvelle forme de paratonnerre sans pointe du Dr Tesla fut entièrement décrite et illustrée.
Nikola Tesla