Le blog d'histoire des sciences

Par Gérard Borvon.

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Sa découverte résulte de la rencontre d’une pensée théorique majeure, celle de Maxwell, et d’une technique aboutie, celle des fabricants de matériel scientifique et parmi eux, Ruhmkorff.

Les piles ont un mérite : elles fournissent un courant de façon continue. Elles ont aussi un inconvénient : elles ne permettent pas l’accès à des tensions de plusieurs milliers de volts.

Or la médecine reste fidèle à ces chocs électriques qui, même quand ils ne guérissent pas, sont l’affichage d’une supposée haute technicité. C’est pourquoi les machines électrostatiques ont sans cesse été perfectionnées pendant tout le 19ème siècle. La machine de Wimshurst en est le plus bel aboutissement. Dans les années 1880 elle se répand dans tous les cabinets des médecins aussi bien que dans les laboratoires des universités et des lycées où nous la trouvons encore aujourd’hui.

Machine de Wimshurst, dans son coffret, munie de ses accessoires.

Un nouvel instrument va bientôt lui faire concurrence : la bobine de Ruhmkorff. Celle-ci est le résultat d’efforts dispersés.

On prête généralement à Joseph Henry, professeur à l’Académie d’Albany, la première observation, en 1832, d’étincelles de rupture. Le montage qui l’amène à cette observation est constitué de deux fils longs de plusieurs mètres reliés à quelques éléments de pile. Le circuit est fermé par un godet empli de mercure. Si l’un des fils est brusquement retiré de ce godet, une étincelle éclate entre le mercure et le fil.

Tout se passe comme si le courant faisait preuve d’inertie et tendait à se maintenir après l’ouverture. Henry désigne ce phénomène par le terme "d’extra-courant de rupture". Il constate que celui-ci est encore plus violent quand le fil est enroulé en spires jointes et en particulier quand on introduit un noyau de fer doux dans l’axe de ces spires. Faraday, un an plus tôt, avait découvert l’induction d’un circuit sur un autre circuit proche lors de l’ouverture ou de la fermeture du premier.

Henry venait de découvrir le phénomène "d’auto-induction" d’un circuit sur lui-même.

L’apparition d’étincelles, preuve de l’existence d’une haute tension entre le mercure et le fil lors de la rupture, intéresse les médecins et fabricants de matériels scientifiques. On prête à Charles Grafton Page, médecin et compatriote de Henry, la fabrication d’un "autotransformateur" constitué d’une seule bobine dont une première partie, alimentée par les piles, constitue le primaire et où le secondaire, où se produisent les étincelles, est constitué par le reste de la bobine.

Bientôt les deux circuits seront séparés et la bobine prend sa forme plus élaborée entre les mains de Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877).

Né en Allemagne, Ruhmkorff vient à Paris pour y apprendre et y exercer le métier de fabricant d’instruments scientifiques de précision. Son chef d’œuvre est cette fameuse bobine d’induction à laquelle sera bientôt associé son seul nom, faisant oublier du même coup tous ceux, nombreux, qui y ont apporté leur contribution.

Louis Figuier, dans les Merveilles de la Science, en donne la description suivante :

" Le corps de la bobine, S, est en carton mince, et les rebords en bois vernis de gomme laque. Sur le cylindre de carton, se trouvent enroulées deux hélices de fil de cuivre, parfaitement isolées. Une de ces hélices est composée de gros fil (d’environ 2 millimètres) ; l’autre, de fil très fin (dans un autre passage Louis Figuier dira qu’il peut atteindre jusqu’à 30 kilomètres de longueur). Les bouts de ces quatre fils sortent des rebords de la bobine par quatre trous a, b, c, d. Les extrémités du fil fin se rendent aux boutons A, B, montés sur des colonnes de verre. Les extrémités du gros fil viennent aboutir à deux petites bornes métalliques, qui communiquent avec les deux pôles de la pile.".

Une pièce importante du montage est le "vibreur" qui établit et supprime le courant au primaire. Celui-ci, mis au point par Foucault, comporte une lame portant deux contacts qui plongent dans deux godets de mercure qui ferme le circuit alimentant un électroaimant. Celui-ci attire la lame et ouvre le circuit. Cette ouverture ramenant la lame à sa position initiale, il s’en suit une vibration entretenue qui peut atteindre plusieurs centaines d’ouvertures et de fermetures par seconde. Un condensateur, évitant les étincelles de rupture au primaire, complète le montage.

La puissance obtenue est extraordinaire. Des étincelles de plus de trente centimètres peuvent être obtenues au secondaire. Les commotions produites sont d’une extrême violence. Des expérimentateurs peu prudents le vérifieront à leurs dépens. Un collaborateur de Ruhmkorff se trouve ainsi renversé par une décharge qui le laisse dans un état d’extrême faiblesse pendant plusieurs jours. Seules des batteries de bouteilles de Leyde avaient, jusqu’à présent produit de tels effets. Mais, avantage de la bobine de Ruhmkorff sur les bouteilles de Leyde, celle-ci ne se décharge pas et produit des hautes tensions permanentes.

Les expériences se multiplient. Des blocs de verre de 10 centimètres d’épaisseur sont percés par l’étincelle. Les métaux et les terres les plus réfractaires y sont fondus.

Application utile autant que spectaculaire : la bobine peut enflammer plusieurs explosifs de façon simultanée rendant ainsi les travaux des mines et des carrières plus efficaces (la dynamite a récemment été brevetée par Alfred Nobel). Cette pratique vient, hélas, enrichir l’arsenal guerrier et la bobine est célébrée pour avoir permis, en octobre 1860, de faire sauter le fort de Peï-ho pendant l’expédition de Chine et la "guerre de l’opium" qui se termina par le sac du Palais d’été.

Plus pacifique est l’utilisation de la bobine par les médecins qui en font la nouvelle thérapie à la mode. Mais la bobine se donne aussi en spectacle. On se souvient de l’abbé Nollet faisant sauter en l’air une compagnie de soldats des gardes françaises au moyen de la bouteille de Leyde. A un siècle de distance les démonstrateurs forains des ponts de Paris renouvellent le spectacle.

Démonstration de choc électrique par la bobine de Ruhmkorff

Juste reconnaissance, Ruhmkorff se voit attribuer, en 1864, le prix Volta. Les 50 000 francs de ce prix, créé par Napoléon après la visite de Volta à Paris pour récompenser la meilleure application de la pile, n’avaient encore jamais été attribués. Rétabli en 1852 par Napoléon III, Ruhmkorff est le premier à le recevoir.

Son générateur à haute tension, qui figure dans le moindre laboratoire, est aussi une source de recherches nouvelles que les plus habiles et les plus volontaires sauront mettre à profit.

Né à Hambourg, Heinrich Hertz (1857–1894) est le fils d’un important magistrat de la ville. Jeune homme studieux, il se destine d’abord à la profession d’ingénieur mais son goût pour les mathématiques et les sciences de la nature l’amène à choisir la voie universitaire. D’abord à Munich, à Berlin, à Kiel. En 1884, il intègre l’école supérieure de technique de Karlsruhe dans laquelle il trouve un laboratoire bien équipé.

Après avoir étudié différents sujets au gré de ses nominations successives, il s’intéresse alors aux théories de l’électromagnétisme et se plonge dans l’étude des ouvrages de Helmholtz, son professeur à Berlin, de Weber et de Maxwell.

Le hasard d’une manipulation l’incite à étudier les étincelles qui éclatent dans un montage, dans des circonstances où elles n’étaient pas attendues. Guidé par ses précédentes études de l’électromagnétisme, cette piste l’amène à prouver l’existence des ondes électromagnétiques proposées par Maxwell. Il présente ses résultats en décembre 1888 dans un mémoire adressé à l’Académie des Sciences de Berlin.

Son dispositif comprend un émetteur. Le montage le plus habituellement décrit comprend deux sphères de cuivre, creuses, d’une trentaine de centimètres de rayon. Elles sont reliées par une tige conductrice de 0,5cm de diamètre et de 1,5 mètres de longueur. Cette tige est interrompue en son milieu par un très petit intervalle.

Les deux sphères sont alimentées par les décharges du secondaire d’une bobine de Ruhmkorff, l’une d’électricité positive, l’autre d’électricité négative. Quand la tension devient suffisante une étincelle éclate dans l’espace ménagé entre les deux tiges. Loin de provoquer la neutralité des deux boules, ce courant se prolonge au-delà de l’équilibre comme par une "inertie" liée à "l’inductance" du circuit. Alors, explique Hertz, dans un texte publié en 1889 dans les Archives de Genève, il se créera sur les deux sphères "des charges inverses de celles qu’elles présentaient d’abord : celles-ci provoqueront une nouvelle décharge, et ainsi de suite, il se produira ainsi une série d’oscillations entre les deux sphères… ". C’est une "sorte de diapason électrique" ajoute-t-il. Un diapason dont la théorie permet de calculer la fréquence à partir de la capacité et de l’inductance du circuit. Hertz estime que la fréquence des oscillations provoquées par son montage est de l’ordre de cent millions de périodes par seconde.

Après l’émetteur, le récepteur. C’est un "résonateur" constitué soit par une spire conductrice circulaire de 35cm de rayon ou par un fil disposé en un carré de 60cm de côté. Chacun de ces dispositifs étant interrompu par une ouverture garnie de deux petites boules le laiton dont on peut régler l’écart par une vis micrométrique (ou micromètre à étincelle).

Un article publié en France dans la revue "la Nature" en 1889 rend compte des observations réalisées grâce à ce système.

" Lorsque le résonateur est placé dans le champ électrique, il se produit entre les boules du résonateur des étincelles visibles, même à 20 et 25 mètres de la bobine. Le mur, une cloison de briques, etc., n’arrêtent pas la propagation des ondulations électriques révélées non seulement à l’aide du résonateur, mais avec deux morceaux de métal quelconque (clefs, pièces de monnaie, etc.), mis en contact et séparés pendant que la bobine fonctionne. Le résonateur donne cependant des résultats toujours plus nets, lorsqu’il est bien proportionné, parce que les mouvements électriques dont il est le siège sont synchrones avec ceux de la bobine…"

En disposant de grands miroirs en zinc sur le trajet des radiations électriques, on peut les réfléchir, et répéter toutes les expériences classiques d’optique sur les rayons lumineux.

Ces rayons peuvent être polarisés, diffusés, réfléchis régulièrement, exactement, etc., comme les rayons lumineux.

En traversant un prisme de poix ou de bitume, les rayons électriques sont réfractés, l’indice de réfraction électrique ayant sensiblement la même valeur que l’indice de réfraction optique. Toutes ces coïncidences et biens d’autres sur lesquelles nous ne saurions insister ici, rendent très probable la théorie de Maxwell et semblent autoriser M. Hertz à considérer les radiations électriques comme des radiations lumineuses de grande longueur d’onde. Voici en effet, quelles sont les conclusions de son dernier Mémoire présenté à l’Académie des sciences de Berlin.

"Pour moi, les faits observés me paraissent mettre hors de doute l’identité de la lumière, de la chaleur rayonnante, et des mouvements électrodynamiques. Je crois que l’identité conduira à des conséquences aussi profitables pour la théorie de l’optique que pour celle de l’électricité."

Ajoutons que Hertz, par des expériences d’interférences, a pu mesurer la vitesse de propagation de ces ondes et vérifier qu’elle est bien celle de la lumière comme l’avait prévu Maxwell.

Ces expériences, facilement reproductibles, font rapidement le tour des laboratoires européens.

A Genève elles prennent une dimension pharaonique. Pour déterminer avec une précision suffisante la vitesse de propagation des ondes, les physiciens Sarasin et de la Rive veulent réaliser des interférences sur une grande échelle. Un écran de zinc de 8 mètres de hauteur sur 16 de large est placé à 15 mètres de l’émetteur.

Les ondes incidentes et réfléchies se combinent pour donner des ventres et des nœuds d’oscillation. Un détecteur constitué d’un anneau ouvert d’un faible intervalle est déplacé perpendiculairement à l’écran. Dans les nœuds rien ne se passe, dans les ventres des étincelles éclatent entre les boules placées aux extrémités de l’anneau.

La connaissance précise de la longueur d’onde permet ainsi de vérifier l’identité de la vitesse des ondes électromagnétiques et des ondes lumineuses non seulement dans l’air mais aussi dans l’eau ou dans l’alcool.

Les partisans de Maxwell triomphent. Qui pourrait encore douter de la véracité de sa théorie ? Son décès prématuré, dix ans auparavant, ne lui aura pas permis d’être lui-même le témoin de ce succès.

Hertz lui-même meurt d’une maladie foudroyante 7 ans après sa découverte. Il n’a que 36 ans et ne verra pas le début de ces "ondes radiophoniques" qui vont, dans le siècle qui suivra, transformer notre planète en un vaste village.

L’éther existe. Après les expériences de Hertz, qui pourrait en douter ? Certainement pas tous ceux qui en étaient déjà convaincus.

Parmi ceux-ci l’Américain Albert Abraham Michelson (1852-1931). En 1878, il réalise une mesure précise de la vitesse de la lumière et imagine d’en déduire la vitesse de la terre sur son orbite, estimée à une valeur de l’ordre de 30km/s (c’est à dire environ 1/10 000ème de celle de la lumière).

Il s’agit de comparer la mesure la vitesse de la lumière dans la direction de la trajectoire de la terre avec sa mesure dans une direction perpendiculaire. L’idée étant que ces deux valeurs doivent nécessairement être différentes dans la mesure où les ondes lumineuses devaient être emportées par le "vent d’éther" balayant la terre dans son mouvement comme le son est emporté par le vent ou un nageur par le courant d’une rivière. De la différence entre les deux mesures de vitesse, il serait possible de déduire la vitesse de la terre.

Commencée en 1881 par Michelson seul, l’expérience était poursuivie avec l’aide de son collègue Edward Morley. Le montage de "Michelson et Morley" est connu. Il s’agit d’un interféromètre qui recombine un rayon issu d’une source unique et dirigé dans les deux directions perpendiculaires au moyen d’un miroir semi-réfléchissant. La différence de vitesse devrait pouvoir se mesurer par l’observation des franges d’interférence obtenues.

Mais le résultat attendu n’est pas là. Aucune différence de vitesse n’est mesurable. Cet éther qui porte la lumière et les ondes hertziennes se dérobe. Existe-t-il vraiment ?

Il faudra Einstein et la théorie de la relativité restreinte pour apporter, à cette contradiction, une réponse acceptée par l’ensemble du monde scientifique et cette réponse sera négative.

Ce nouveau défi lancé aux physiciens n’empêche pas les applications de se développer.

Le dispositif imaginé par Hertz manque de sensibilité. Au-delà de quelques dizaines de mètres il n’est plus possible de détecter les ondes électromagnétiques. La recherche de la sensibilité passera, en premier lieu par un élément inventé par le physicien français Edouard Branly vers 1890 en utilisant une observation déjà faite par S.A. Varley en 1866 : le "cohéreur".

Dans une communication du 24 novembre 1890, Branly explique le fonctionnement de ce qu'il désigne comme "radioconducteur" refusant le terme de cohéreur. Il considérait, en effet, que la limaille de fer n'était en rien "cohérée" dans le phénomène. Lequel n'est d'ailleurs toujours pas clairement expliqué. :

"Quand on réuni les deux pôles d'un élément de pile par une limaille métallique comprise dans un tube de verre entre deux tiges conductrices, le courant de la pile est arrêté par la limaille, un galvanomètre disposé dans le circuit reste au zéro. Si une étincelle d'une bouteille de Leyde vient à éclater à quelques mètres, le galvanomètre est fortement dévié et reste dévié. La limaille est devenue conductrice et la conductivité persiste. Un choc sur la limaille ou son support fait ouvrir le circuit : la conductibilité de la limaille disparaît. Une nouvelle étincelle à distance ferme le circuit ou l'ouvre par un nouveau choc, et ainsi de suite" (voir aussi dans la Nature 1898)

Plus précisément son "radioconducteur" est un tube isolant de quelques millimètres de diamètre rempli de limaille de fer et fermé par deux pistons de laiton exerçant une pression réglable. C’est un "cohéreur" à limaille de ce type qui est utilisé par Marconi en 1897 pour réaliser la première transmission radiotélégraphique avant d'être radiophonique quand le système se perfectionnera.

Son émetteur est de la forme classique proposée par Hertz. Un interrupteur télégraphique utilisé pour la télégraphie par fil en alphabet Morse alimente le primaire de la bobine au rythme voulu pour l’écriture des lettres.

L’originalité du montage tient dans son récepteur. Il est constitué d’un petit tube de verre, d, de 4cm de longueur, dans lequel sont placés deux conducteurs cylindriques en argent. Ils sont séparés par une distance de ½ millimètre. L’intervalle est empli par un mélange de fine limaille de nickel et d’argent amalgamé par une trace de mercure. Un vide poussé à 4 millimètres de mercure est réalisé dans ce tube.

Schéma extrait d'un article de La Nature 1897.

Le tube tient lieu "d’éclateur" dans le circuit secondaire complété par deux volets conducteurs V et V’ dont la capacité variable sert à accorder la fréquence du circuit récepteur sur celui de l’émetteur.

Ainsi, la résistance du tube chute brutalement dès qu’un courant de décharge le traverse. Cette chute de résistance est utilisée dans un circuit parallèle alimentant l’électroaimant du "décohéreur". Cet électroaimant actionne un marteau. Sans entrer dans le détail disons que le choc du marteau sur le tube produit un son qui suit le rythme des signaux morses émis à l’émetteur. Le message peut donc être déchiffré à l’oreille. Le même courant qui actionne le marteau peut aussi permettre l’impression des signaux sur une bande.

Dans un premier essai, ce système permet à Marconi de transmettre des signaux à 15km de distance et chacun imagine déjà que, bientôt, ce seront les paroles elles-mêmes qui pourront être transmises. Ce qui sera rapidement réalisé.

Le succès populaire de cette réussite rend temporairement célèbres les "ondes Marconi" mais, fort heureusement, personne n’a oublié Hertz, le véritable découvreur des ondes électromagnétiques imaginées par Maxwell et aujourd’hui désignées par le terme "d’ondes hertziennes".

Juste reconnaissance : le "hertz" est devenu le nom de l’unité de fréquence des phénomènes électriques.

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Voir aussi  :

Expériences de Ducretet (La Nature 1898)

Pour en savoir plus on peut lire :

L’Histoire de l’Electricité, de l’ambre à l’électron, Gérard Borvon, Vuibert.

Commentaires sur Amazon

C.B : L’histoire de l’électricité est très bien racontée par Gérard Borvon. Ce livre n’est pas du tout rigide et formel, il se lit très bien et c’est ce qui fait qu’on retient plus de choses ! Les anecdotes y sont très bien rapportées et on s’amuse à les lire. Ce livre casse la malheureuse idée rigide et complexe que l’on peut avoir des sciences, on apprend en s’amusant et ça réconcilie les gens avec la physique, tant mieux !!!

A.R : Ce livre permet d’appréhender clairement les différents concepts historiques qui ont permis d’élaborer la théorie actuelle de l’électricité.
Je le recommande particulièrement à tous ceux qui ont été rebutés au cours de leur scolarité par l’enseignement de cette matière.Vous comprendrez par exemple pourquoi la charge de l’électron est négative et non positive, d’où vient les signes + et -...et beaucoup de choses qui ne sont malheureusement pas enseignées au collège ou au lycée.
Merci à l’auteur.

Sur le Bulletin de l’Union des Physiciens :

Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !)