Le générateur électrostatique de Lord Kelvin


Principe

C'est un générateur d'électricité statique, relativement peu connu, inventé par Lord Kelvin en 1867.

Il fonctionne par influence, c'est-à-dire par induction électrostatique (comme la machine de Wimshurst ou l'électrophore de Volta présents dans tous les cabinets de physique) et a la particularité d'utiliser la chute de gouttes d'eau pour convertir une partie de leur énergie potentielle en électricité. Ainsi, il ne nécessite aucune partie mécanique mobile.

Il est symétrique et il fournit 2 tensions identiques de signe opposé.

Voir la description du fonctionnement sur Wikipedia.

Inconvénients

Lorsque ce générateur est chargé et fournit de l'énergie (par exemple sous la forme d'étincelles), le potentiel électrique des collecteurs chute entraînant la chute du potentiel des inducteurs. Ceci est dû au fait qu'ils sont reliés électriquement. La conséquence peut être le désamorçage du générateur ou, au mieux, une chute de l'intensité du courant de sortie et une lente remontée (exponentielle) de la tension générée.

Divers essais d'introduction de diodes HT ou de résistances de très grande valeur (quelques \(G\Omega \) ) dans les liaisons collecteurs-inducteurs ont été faits sans être vraiment satisfaisants. L'idée était d'éviter la chute trop brutale du potentiel des inducteurs lorsque les collecteurs transmettaient de l'énergie à l'extérieur.


Un projet de générateur électrostatique de Lord Kelvin "amélioré"


Idée directrice

Je propose d'intégrer, dans un même système, 2 générateurs distincts et concentriques :

Comme le générateur d'excitation ne débite pas de courant, sa tension reste maximale et s'équilibre avec la compensation des inévitables pertes (isolants humidifiés et effet corona). Il assure ainsi une excitation maximale des deux générateurs.

Le générateur de "puissance", quant à lui, devient capable de fournir un courant à peu près constant, quel que soit sa tension de sortie et donc sa charge. En principe, le courant de "court-circuit" devrait même être le courant maximal qu'il peut produire pour les raisons suivantes :

Détails de conception

Les inducteurs ont une forme torique assez massive, ce qui présente plusieurs avantages :

La position centrale des collecteurs du générateur d'excitation limite le gradient de champ électrique à leur voisinage (principalement lorsque le générateur fournit une tension élevée) et donc leurs pertes. En effet, ils sont entourés par les collecteurs du générateur de "puissance" qui sont portés à un potentiel de même signe.

La sortie des gouttes d'eau de tous les collecteurs se fait dans une cavité qui est partie intégrante de ces derniers. Le gradient de champ électrique à cet endroit est donc quasi nul, évitant que les gouttes ne soient polarisées et donc reçoivent une charge conduisant à un débit parasite des collecteurs.

Les gouttes sont générées par des buses métalliques qui forment 2 couronnes :

Chaque flux de gouttes est donc placé dans des conditions de champ électrique identique et optimal, conduisant à une meilleure efficacité globale du générateur.

Coupe du projet de générateur de Kelvin amélioré

Coupe selon un plan passant par l'axe de symétrie vertical. Seules les parties "actives" métalliques sont représentées. S'agissant d'un projet, l'échelle n'est pas définie. Il est possible d'ajouter un dispositif (fin grillage...) évitant les projections au moment de l'impact des gouttes d'eau dans les collecteurs et les réservoirs. La polarité des éléments est arbitraire (on peut permuter tous les signes). Elle dépend de l'amorçage. Il est possible d'imposer les polarités au moment de l'amorçage et d'accélérer celui-ci, par exemple, en mettant en contact l'un des inducteurs avec le plateau électrisé d'un électrophore de Volta.

Dessin de la coupe du projet de générateur de Kelvin amélioré

Légende du dessin