La bobine de Ruhmkorff

Au début des années 1830, le physicien anglais Mickael Faraday découvre l'induction: la variation d'un courant électrique dans un circuit produit un courant électrique (dit induit) dans un autre circuit situé à proximité. Faraday, l'apprenti-relieur devenu physicien après avoir été l'assistant de Davy, se lance dans l'étude de cet intriguant phénomène que d'autres avant lui ont observé sans y prêter attention. Très peu de temps après, plusieurs physiciens, dont l'américain Page et l'irlandais Callan, construisent les toutes premières bobines d'induction, et s'aperçoivent qu'il est possible de générer de petites étincelles aux ouvertures et fermetures du courant dans le circuit primaire. Les français Masson et Bréguet construiront à leur tour une bobine en 1842. Mais les étincelles, qu'elles soient sur l'enroulement primaire ou sur le secondaire, sont difficiles à obtenir et dépassent rarement les quelques millimètres. Page annoncera a posteriori qu'il a atteint 10 cm vers 1850, mais pareille performance semble assez improbable. A partir de 1850, un autre apprenti, l'allemand Heinrich Ruhmkorff, commence lui aussi à fabriquer des bobines d'induction. Une biographie détaillée de Ruhmkorf est disponible ici. Ses idées sont bonnes: il faut améliorer l'isolation des fils et augmenter la longueur des bobines. Mais les progrès sont lents, et les premières étincelles ont du mal à dépasser le centimètre. Fizeau propose en 1853 l'ajout d'un condensateur pour absorber l'extra-courant du primaire. Ruhmkorff est le premier à l'insérer dans ses bobines, et les 2 cm sont atteints. Vers la fin des années 1850, l'américain Ritchie introduit un nouveau système de bobinage, repris par Ruhmkorff. Les trois ingrédients-clés sont réunis: un condensateur de Fizeau, une isolation toujours meilleure des fils, et un bobinage optimisé. Les performances s'envolent, et dépassent rapidement les 40 cm. D'après plusieurs auteurs de l'époque, le mètre sera bientôt dépassé. Si plusieurs des contemporains de Ruhmkorff estiment que la performance de ses bobines est surtout due à Fizeau et Ritchie, sa notoriété grandit, et il devient le premier récipiendaire du prix Volta créé par Napoléon III. Mieux, au grand dam de Page et des autres, la bobine d'induction prendra bientôt le nom de bobine de Ruhmkorff.

Cet instrument consiste en deux circuits enroulés l'un sur l'autre autour d'un noyau de fer doux, un circuit dit primaire constitué d'un fil de gros diamètre enroulé en un petit nombre de spires et un circuit secondaire composé à l'inverse d'un très grand nombre de spires d'un fil très fin. Un générateur de courant (à l'époque une pile, par exemple la pile de Grenet) permet de faire circuler un courant relativement élevé mais de faible tension dans le circuit primaire. Ce courant rend le noyau de fer doux magnétique, qui attire alors un petit aimant fixé sur une partie du circuit primaire appelé trembleur. Ce mouvement coupe brutalement la circulation dans le primaire (comme un simple interrupteur) induisant ainsi un courant dans le secondaire. La très forte résistance de ce circuit (lié à la longueur et à la finesse du fil) crée ainsi entre les deux extrémités du secondaire une différence de potentiel très élevée pouvant produire une étincelle de plusieurs dizaines de centimètres. Dans le même temps, la coupure du primaire annule le champ magnétique du noyau de fer, et l'aimant du trembleur revient dans sa position, permettant à nouveau le passage du courant. L'intérêt de ce dispositif est d'assurer une interruption automatique et à haute fréquence du primaire, ce qui permet de produire une étincelle toutes les quelques millisecondes, une fréquence inaccessible avec des machines électrostatiques.
Des bobines de Ruhmkorff de tailles très diverses ont été produites dans les décennies qui suivirent. On attribue à Gaiffe l'idée de construire de petits modèles (typiquement moins de 10 cm de longueur) et qui vont servir à des activités ludiques, comme des jeux pour enfants ou l'alimentation de petits tubes de Geissler. Mais les bobines de Ruhmkorff ont également servi dans des expériences de laboratoire, par exemple pour l'analyse spectroscopique mise au point vers 1860 par Kirchhoff et Bunsen, et plus tard pour le fonctionnement des tubes à vide poussé comme les tubes de Crookes. La bobine de Ruhmkorff servira ainsi à la découverte des rayons X et à celle de l'électron.

Une belle bobine de Ruhmkorff dans le cabinet de physique de Passy-Froyennes en Belgique.

Cette collection comporte 11 bobines visibles ci-dessous, de différentes tailles. L'une d'elle, signée Ruhmkorff, a certainement appartenu à Hippolyte Fizeau, et lui a probablement servi pour mettre au point son condensateur. La plus grosse bobine, acquise en avril 2021, est actuellement en cours de réparation.

Les applications de la bobine de Ruhmkorff sont très diverses. A partir de 1868 parait une notice recensant les utilisations que l'on peut en faire. Aux expériences amusantes et parfois spectaculaires comme celle des épées lumineuses viendront bientôt s'ajouter les applications des rayons X, notamment en médecine. Les photos de tubes à vide en fonctionnement sur cette page ont d'ailleurs toutes été obtenues avec les bobines ci-dessus.

Notice sur les applications de la bobine de Ruhmkorff (édition de 1904) et illustration de l'application à la radiologie.



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