Le brevet de paratonnerre de Nikola Tesla (archive fidèle)

Cette page présente une transcription fidèle du brevet de Nikola Tesla pour son protecteur de foudre, déposé en France le 3 septembre 1921 et délivré sous le numéro 540.617. Le document est reproduit à des fins éducatives et historiques : la langue et l’orthographe de 1922 sont conservées telles qu’imprimées.

Transcription complète du brevet

RÉPUBLIQUE FRANÇAISE — OFFICE NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE.

NIKOLA TESLA, des États-Unis d’Amérique.

PERFECTIONNEMENTS AUX PARATONNERRES

VII. — Construction, travaux publics et privés. 3. — Travaux d’architecture, aménagements intérieurs, secours contre l’incendie. N° 540.617

Demandé le 3 septembre 1921, à 14^h 31^m, à Paris. Délivré le 20 avril 1922. Publié le 13 juillet 1922.
(Demande de brevet déposée aux États-Unis d’Amérique le 6 mai 1916. — Déclaration du déposant.)

L’invention a pour objet des paratonnerres d’un modèle perfectionné et strictement établis en conformité avec les véritables caractères des phénomènes électriques. Les paratonnerres de l’invention ont une action beaucoup plus efficace et protectrice des vies humaines et des bâtiments que les paratonnerres actuellement en usage.

Pour bien faire comprendre la nature de l’invention et comment elle se distingue essentiellement des tiges de paratonnerres en usage, il est nécessaire d’expliquer brièvement comment le paratonnerre de l’invention se distingue des tiges pointues actuellement employées.

Depuis l’introduction de la tige pointue de Benjamin Franklin, à la fin du dix-huitième siècle, son application pour protéger contre les décharges électriques de l’atmosphère a été universellement employée. Son efficacité a un certain degré a été prouvée sans aucun doute par les statistiques, toutefois il y a certaines erreurs dans l’explication de son mode de fonctionnement et sa construction est radicalement défectueuse en un point, à savoir sa terminaison pointue typique. Dans le paratonnerre de l’invention il n’est pas fait usage de pointes et le mode de terminaison du protecteur est tout à fait différent.

Suivant l’opinion prévalente, l’efficacité de la tige Franklin est basée sur la propriété des pointes ou des corps aigus, qui facilite l’écoulement de l’électricité dans l’air. Comme l’a montré Coulomb, la quantité d’électricité par unité de surface, qu’il appelle densité électrique, croît d’autant plus que le rayon de courbure de la surface est plus petit. Ensuite il a été prouvé par l’analyse mathématique que la charge accumulée crée une force normale de tension égale à deux fois le carré de la densité, et l’expérience a démontré que lorsque cette dernière dépasse approximativement 20 C.G.S. unités, il se forme un courant ou une couronne. Par suite de ces observations et déductions, il est évident que ce phénomène peut se produire à une pression relativement faible si le conducteur est d’un rayon extrêmement petit ou terminé en pointe, et c’est en raison d’une mauvaise application des déductions tirées de ces phénomènes et de divers autres, que les tiges actuellement employées dans le commerce sont minces et pointues. D’après l’invention, au contraire, et d’après les déductions tirées de faits reconnus, on en fait l’application correcte en établissant un para-foudre dont l’extrémité conductrice se termine par des surfaces d’un grand rayon de courbure dans les deux sens.

En permettant l’écoulement de l’électricité dans l’air, on considère généralement que la pointe a deux fonctions : par la première, elle soutire l’électricité négative du sol ; par l’autre, elle neutralise l’électricité positive des nuages. Il est vrai que cela a lieu dans certaines limites. Mais une étude systématique des perturbations électriques du sol a montré d’une façon palpable que l’action du conducteur Franklin, telle qu’on l’interprète ordinairement, est très illusoire. Les mesures actuelles montrent que la quantité d’électricité qui s’échappe, même par un grand nombre de pointes, est complètement insignifiante par rapport à celle qui est induite sur une surface considérable du sol, et la quantité écoulée n’est d’aucune importance comme procédé de dissipation. Mais il est vrai que l’air chargé d’électricité négative dans le voisinage de la tige, rendu conducteur, facilite le passage du courant. En conséquence, il y a accroissement de la probabilité d’une décharge électrique dans le voisinage.

Les faits fondamentaux qui servent de base à ce type de tige para-foudre sont :

• D’abord, qu’elles attirent la foudre, de telle façon que le bâtiment sera frappé plus souvent qu’il ne le serait s’il n’était pas muni de paratonnerres ;
• Secondement, qu’elles rendent sans danger les décharges reçues, mais pas toutefois la totalité ;
• Troisièmement, qu’elles rendent l’air conducteur et, pour d’autres raisons, sont parfois la cause des dommages pour les objets du voisinage ;
• Quatrièmement, que dans son ensemble leur efficacité pour protéger contre la foudre dépend plus ou moins du hasard.

Le paratonnerre de l’invention est basé sur des principes diamétralement opposés. Il se termine par une large surface. Il assure une densité très faible et il conserve les qualités isolantes du milieu ambiant en réduisant les fuites et par son action il agit comme un répulseur pour accroître énormément le facteur de sécurité.

Dans le but d’avoir une installation aussi bonne et aussi économique que possible, il faut tenir compte des facteurs et des phénomènes qui déterminent la grandeur, le nombre des protecteurs et les qualités physiques de l’appareil : ces données doivent être établies par l’ingénieur qui fait l’installation, et on va examiner les bases qui servent à cette installation.

Une installation économique demande que la capacité protectrice d’un équipement donné ne soit pas inutilement plus grande que celle qui est exigée par les conditions spéciales de protection des bâtiments, et cela dépend en particulier, ainsi qu’on le montrera plus loin, de la configuration du terrain à proximité du bâtiment à protéger.

Sur les dessins, les figures 1 à 4 inclusivement sont des schémas pour expliquer les faits et conditions servant à la détermination des installations particulières de l’invention, et les figures 5 à 8 montrent la construction et l’application des paratonnerres de l’invention. En particulier : la fig. 1 montre la configuration du terrain dans le but de faciliter les explications ; les fig. 2, 3 et 4 sont des schémas pour l’explication de l’invention ; les fig. 5 et 6 montrent des formes d’exécution de l’invention ; et les fig. 7 et 8 montrent l’équipement protecteur des bâtiments.

Sur la fig. 1 est représentée une surface 1 correspondant à la prolongation de la surface de l’océan. Dans les conditions ordinaires climatériques, lorsque le ciel est clair, la quantité totale d’électricité distribuée sur le sol est sensiblement celle correspondant à la projection horizontale. Mais en temps d’orage, en raison de l’action inductive, une quantité énorme peut s’accumuler en un point donné, la densité étant plus grande sur les parties les plus élevées du sol. On peut supposer que dans ces conditions il existe une autre surface sphérique 2 concentrique à l’ensemble du niveau terrestre, qui peut être appelée niveau électrique, et que, des deux côtés de cette surface, les quantités accumulées au-dessus et au-dessous relativement à la surface imaginaire dans le sens positif et négatif sont nulles. Les objets situés au-dessus de ce niveau sont sujets à beaucoup plus de risques que ceux en dessous.

Alors un bâtiment situé en 3 sur une terre dense est exposé à plus de risque, tandis qu’un bâtiment qui se trouve dans une dépression 4, où la charge par unité de surface est très petite, se trouve presque entièrement en sécurité. Il en résulte qu’un bâtiment 3 nécessite un équipement protecteur de beaucoup plus élevé que le bâtiment qui se trouve dans 4. Dans les deux cas, toutefois, les risques d’être frappé par la foudre sont diminués par la présence du paratonnerre de l’invention, tandis que ces risques sont augmentés par la présence de la tige de Franklin, pour les raisons qui vont être expliquées.

La compréhension de ce qui est vrai par rapport aux décharges électriques et les mauvaises applications qui en ont été faites par suite des interprétations ont été la cause de la forme conventionnelle en pointe donnée aux tiges Franklin. Mais les considérations théoriques et les découvertes importantes qui ont été faites dans les recherches de transmetteurs de télégraphie sans fil d’une grande activité, dans lesquels entrent en jeu des surfaces d’un volume et d’une tension comparables à ce qui se produit dans la nature, ont montré qu’il y avait erreur dans la conception de la tige Franklin et montrent la nouveauté de la protection de l’invention.

Sur la fig. 2, une petite sphère 5 se trouve en contact avec une large surface sphérique particulièrement indiquée en 6. On peut montrer, par la théorie des images électriques, que lorsque deux corps sont chargés, la densité principale sur le plus petit est seulement :

\[\frac{\pi^{2}}{6} = 1{,}64493\]

fois plus grande que sur l’autre. Sur la fig. 3 les deux sphères 7 et 8 sont placées à quelque distance l’une de l’autre et connectées par un fil mince 9 ; le système ayant été excité comme précédemment, la densité sur la petite sphère est plusieurs fois celle sur la grande sphère. Et puisque les deux sphères sont au même potentiel, il s’ensuit directement que leurs densités sont inverses des rayons de courbure. Si la densité de 7 est désignée par d et le rayon par r, alors la charge sera :

\[q = 4 \pi r^{2} d\]

le potentiel sera

\[p = 4 \pi r d\]

et la force externe normale à la surface :

\[f = 2 \pi d^{2}\]

Comme il a été établi que lorsque d dépasse le nombre 20 C.G.S. unités, la force f devient suffisamment intense pour occasionner une rupture électrique et qu’il se forme une couronne. Dans ce cas :

\[p = 80 \pi\]

Par suite, avec une sphère de 1 cm de rayon, la rupture aura lieu à un potentiel :

\[p = 80 \pi = 251{,}328 \ \text{E. S. unités} \quad\text{ou}\quad 75\,398{,}4 \ \text{volts.}\]

En réalité, la décharge se produit à une pression plus basse, en conséquence de l’inégalité de la distribution sur la petite sphère, la densité étant plus grande sur le côté opposé à la grande sphère. Dans un conducteur en pointe, c’est justement l’inverse qui se produit. En théorie on peut commettre une erreur en inférant de ce qui précède que les saillies aiguës permettent à l’électricité de s’échapper au plus bas potentiel, mais cela ne s’ensuit pas.

La raison en sera claire en examinant la fig. 4, dans laquelle on a montré un conducteur 10 terminé par une pointe 11. Lorsque la pointe est entière et connectée à la partie principale 10, il faut des millions de volts pour que la charge se décharge rapidement. Mais la présence de 10 a pour effet de réduire la capacité de 11, de telle façon qu’une pression beaucoup plus haute est nécessaire pour élever la densité à la valeur critique. D’autant plus que le corps est grand, d’autant plus l’influence est prononcée ; cette influence dépend aussi de la configuration, et son maximum correspond à la forme sphérique. Lorsque celle-ci est d’une grandeur considérable, elle prend une force électro-motrice beaucoup plus grande que dans les conditions ordinaires pour produire des effluves qui s’écoulent de la pointe.

Pour ces raisons, il est important de se rappeler que la terre est autre chose qu’un vaste globe conducteur. Il s’ensuit qu’une tige pointue doit être élevée très haut au-dessus du sol afin d’avoir une action efficace, et on verra que la pointe de l’extrémité de la tige a son effet d’émission en partie neutralisé par l’accroissement de section en dessous d’elle : d’autant plus que la tige sera plus forte, pour la réduction de la résistance de l’électrode, que la contre-influence sera plus prononcée. Il est donc important de se rappeler que l’épaississement de la tige pour une résistance électrique très basse est plutôt incompatible avec la haute capacité d’émission que l’on attribue à la pointe de la tige Franklin. Mais, comme on l’a exposé, il est tout à fait désirable dans la réalisation de l’invention, dont la construction a pour but la suppression de l’émission de la charge plutôt que de la favoriser.

La notion que le système de Franklin est efficace pour dissiper les charges terrestres peut être basée sur les expériences primitives faites avec les machines statiques à frottement, où l’on trouvait qu’une pointe était capable de soutirer rapidement l’électricité d’un corps isolé électrisé. Mais l’inapplicabilité de cette application aux conditions de protection contre la foudre deviendra évidente en examinant les simples principes théoriques, qui établissent la désirabilité d’instituer une protection en évitant ces écoulements. Que la densité à la pointe f s’inverse du rayon de courbure de la surface est une condition irréalisable.

En supposant que la fig. 4 représente un conducteur de rayon cent fois plus grand que celui de la pointe : puisque sa surface par unité de longueur est plus grande dans la même proportion, la capacité n’est seulement que double. Alors, lorsqu’il y a emmagasinement de deux fois la quantité d’électricité, la densité sur la tige est seulement 1/5 de celle sur la pointe, d’où il s’ensuit que cette dernière est loin d’être plus efficace. Mais le pouvoir d’émission d’un pareil conducteur est circonscrit, en imaginant que la pointe (en réalité une petite boule) soit continuellement réduite en grandeur, de façon à se rapprocher de plus en plus de l’idéal. Pendant le procédé de réduction, la densité s’accroît en même temps que le rayon de courbure devient plus petit, mais dans une proportion strictement moindre que la sensibilité linéaire ; d’autre part la surface à l’extrémité de la tige, c’est-à-dire la section à travers laquelle passe la charge pour s’écouler dans l’air, se diminue comme le carré du rayon. Cette relation seule impose une limite définie à l’exploitation d’un conducteur en pointe, et il est à remarquer que la résistance de l’électrode sera augmentée en même temps. En outre, l’efficacité de la tige est beaucoup atteinte par le potentiel dû à la charge du sol, comme cela a été indiqué avec référence à la fig. 3.

Des estimations pratiques des quantités électriques dans les phénomènes des perturbations naturelles montrent l’impossibilité des fonctions attribuées au paratonnerre en pointe. Un seul nuage peut contenir :

\[ 2 \times 10^{12} \ \text{C.G.S. unités} \]

ou plus, induisant dans le sol une quantité équivalente d’électricité que des tiges en pointe ne pourraient neutraliser qu’au bout de plusieurs années. Comme exemple particulier des conditions que l’on peut avoir à remplir, on se réfère à un cas réel de 1904, où il apparaît qu’en une occasion environ 12 000 coups de foudre se produisirent en deux heures, tous dans un rayon de moins de 50 kilomètres du lieu d’observation.

Bien que la tige en pointe soit tout à fait inefficace au point de vue qui vient d’être considéré, elle a la propriété d’attirer les éclatements de la foudre à un haut degré : 1° en raison de sa forme pointue et 2° parce qu’elle ionise et rend conducteur l’air environnant. Cela a été établi d’une façon incontestable au sujet des transmetteurs employés dans la télégraphie sans fil, et cela fait ressortir le principal désavantage du paratonnerre de Franklin.

Ce qui vient d’être dit montre qu’il est tout à fait impraticable d’effectuer une égalisation d’émission des charges par les pointes des tiges para-foudre dans les conditions présentées par les vastes forces de la nature ; et le perfectionnement de l’invention consiste à obtenir une probabilité réduite au minimum de l’impact de la foudre sur la zone à protéger, jointe à une conductibilité suffisante pour rendre inoffensifs les coups qui peuvent néanmoins se produire.

Le protecteur de l’invention, ainsi qu’il a été établi, se comporte d’une manière tout à fait opposée à celle du type de Franklin, et est incomparablement plus sûr pour cette raison. Le résultat est obtenu par l’emploi d’une surface terminale conductrice d’un grand rayon de courbure et présentant une surface suffisante pour rendre la densité très petite et pour empêcher les fuites de la charge et l’ionisation de l’air. Les modes d’exécution peuvent beaucoup varier de forme et de grandeur, mais il est essentiel que le contour du protecteur se rapproche de la surface idéale enveloppée d’un grand rayon et d’une aire totale considérable.

Sur la fig. 5 on a indiqué un bouclier en forme de coque en métal repoussé, que coiffe la partie supérieure d’un manchon avec une garniture 13 en porcelaine ou autre matière isolante, qui s’emboîte sur la tige de support 14, susceptible d’être une tige ordinaire de paratonnerre.

La fig. 6 montre la terminaison 15 constituée au moyen de barres métalliques rondes ou plates formant des rayons partant d’un moyeu central, supporté directement par une tige ordinaire et en contact électrique avec elle. Le but spécial de cette forme est de supprimer la résistance au vent, mais il est nécessaire que les barres aient une surface suffisante pour assurer une petite densité, et ensuite qu’elles soient assez rapprochées pour avoir une capacité sensiblement égale à celle d’un bouclier continu ayant mêmes dimensions comme contour. Sur la fig. 7 le paratonnerre a la forme d’une coupole reliée à la terre ; elle est portée par une cheminée qui lui sert de support et la protège. Toute espèce de métal peut être employée pour la construction, mais il est indispensable qu’il n’y ait pas de surfaces pointues, ou à bords aigus, ou des pointes facilitant l’écoulement de l’électricité.

De la même façon, les capots des cheminées et autres appareils analogues peuvent être transformés pour servir de protecteur contre la foudre, s’ils sont équipés conformément aux données de l’invention. Sur la fig. 8, au lieu d’une, quatre colonnes sont reliées à la terre et terminées par des boucliers 18, avec l’objet évident de réduire le risque.

D’après ce qui précède, il est clair que dans tous les cas la terminaison du paratonnerre de l’invention s’oppose aux fuites d’électricité et à l’ionisation de l’air. Il est sans importance que ce paratonnerre soit isolé ou non : s’il est frappé de la foudre, le courant passe facilement à la terre, soit directement comme montré sur la fig. 5, soit en traversant le petit intervalle isolé entre 12 et 14. Mais de pareils accidents sont rendus extrêmement improbables, attendu qu’il se trouve des pointes ou saillies sur lesquelles la charge terrestre atteint une haute densité et où l’air est ionisé. L’action du protecteur de l’invention équivaut à une force répulsive. Par suite il n’est pas nécessaire de l’élever à une grande hauteur, mais la connexion à la terre doit présenter une self induction aussi petite que ceci est possible dans la pratique.

L’invention a pour objet un paratonnerre présentant les particularités suivantes, considérées séparément ou en combinaison :

• 1° Un protecteur contre la foudre se terminant à une hauteur élevée et présentant à la terminaison des surfaces de large rayon de courbure dans les deux dimensions, et un conducteur à la terre de petite self induction.
• 2° Un mode d’exécution du paratonnerre de l’invention en lui donnant la forme d’un bouclier d’un grand rayon de courbure.
• 3° Le protecteur indiqué en 1°, avec une connexion à la terre de faible résistance et un conducteur de petite self induction.
• 4° L’intercalement d’un isolant entre le bouclier et sa tige de support.
• 5° La forme ellipsoïdale donnée au bouclier protecteur.
• 6° Les bords du protecteur terminés par des surfaces lisses et arrondies.

En foi de quoi j’appose ma signature.
NIKOLA TESLA.
Par procuration : Louis Tissier.