Le blog d'histoire des sciences

Parmi les premiers auditeurs, un chirurgien, Anthony Carlisle est très attentif à l’invitation expresse de Volta : rechercher tout ce que la pile, "organe électrique artificiel" comparable à celui des poissons torpilles, peut apporter à la médecine et à la physiologie.

Des monnaies d’argent, des rondelles de zinc et des rondelles de carton imprégnées d’eau salée lui permettent de monter une colonne de 17 couples. Avec son ami Nicholson, physicien averti, il se propose d’abord de vérifier la polarité de son montage à l’aide d’un électroscope et du condensateur à plateau de Volta. Voulant améliorer le contact entre le fil relié à l’un des pôles de la pile et le plateau du condensateur de l’électroscope, il dépose sur celui-ci une goutte d’eau dans laquelle il plonge le fil.

Bons observateurs, les deux amis ne manquent pas de remarquer, autour du fil, un dégagement de fines bulles d’un gaz dont l’odeur leur fait soupçonner qu’il s’agit d’hydrogène. L’eau serait-elle décomposée par le fluide électrique ? Le 2 mai de l’année 1800, ils le vérifient en reliant les deux pôles de la pile à un tube de verre de 30 centimètres de longueur et de quinze millimètres de diamètre, rempli d’eau de source et fermé par deux bouchons de liège traversés par un fil de cuivre.

Le tube est vertical, son électrode inférieure est reliée à la plaque d’argent, l’autre à la plaque de zinc. Dans un premier temps rien ne se passe. On rapproche les fils de cuivre et quand ils ne sont plus distants que de cinq centimètres :

"une longue traînée de bulles excessivement fines, s’éleva de la pointe du fil inférieur de cuivre qui communiquait avec le disque d’argent, tandis que la pointe du fil de cuivre opposé devenait terne, puis jaune orangé, puis noire".

Après deux heures et demie de ce fonctionnement, le sommet du tube contenait environ un demi-centimètre cube d’un gaz qui, en détonnant avec un mélange d’air, se révélait être de l’hydrogène. La base du tube recevait pour sa part un dépôt filamenteux tombant du fil supérieur et qui se révélait être de l’oxyde de cuivre. On pouvait soupçonner que ce composé était le résultat d’une combinaison du métal avec l’oxygène issu de la décomposition de l’eau. Pour le vérifier il suffisait de remplacer le cuivre par deux fils d’un métal inoxydable comme le platine. Ce qui fut fait.

Comme espéré, un dégagement de gaz se développa, alors, sur chaque électrode. En modifiant le montage il était possible de les recueillir séparément et de constater que le premier était de l’hydrogène et le second de l’oxygène. Possible aussi de mesurer leur volume et de retrouver les proportions établies par Lavoisier pour la composition de l’eau.

Par le moyen de l’étincelle électrique, Lavoisier avait provoqué la synthèse de l’eau. Par l’usage de la pile électrique Nicholson et Carlisle en avaient donc réalisé la décomposition.

Etait-ce si simple ? L’expérience reprise dans toute l’Europe scientifique donnait lieu à débat. L’eau était-elle réellement le corps décomposé ? Les problèmes soulevés sont nombreux :

 A l’évidence une eau additionnée de certains acides ou de certains composés alcalins donne de bien meilleurs résultats que l’eau pure. Le corps dissout ne pourrait-il pas être l’agent essentiel de l’apparente décomposition ?

 De l’eau soigneusement distillée continue à être décomposée mais le phénomène n’est-il pas lié à la dissolution, dans cette eau, de l’air ou même de la matière du récipient qui sert à l’expérience ?

Rapidement, l’interprétation de l’électrolyse d’une solution aqueuse apparaît comme étant extrêmement complexe. Mais cette complexité est plutôt stimulante pour la nouvelle génération de chimistes européens formée à l’école des Priestley, Cavendish ou Lavoisier. Parmi ceux-ci Humphry Davy.

Humphry Davy (1778-1829).

Davy a vingt deux ans quand il prend connaissance des travaux de Volta. Il est alors le collaborateur du docteur Beddoès qui dans "l’institution pneumatique" qu’il a fondée à Boston, étudie les propriétés anesthésiantes du protoxyde d’azote identifié par Priestley vers 1774.

Chimiste dans un établissement qui se livre à des recherches médicales, c’est donc en chimiste qu’il aborde le problème de l’électricité "galvanique". Dès sa première publication du 26 octobre 1800, avec la hardiesse propre à la jeunesse, il met à mal la théorie de Volta. Le phénomène, dit-il, n’est pas le résultat d’une différence dans la "tension électrique" propre à chaque métal. Ayant constaté l’oxydation du zinc pendant le fonctionnement de la pile, il en déduit que "le galvanisme est un procédé purement chimique" qui "dépend entièrement de l’oxydation de surfaces métalliques".

Il constate ensuite que "si les plaques de zinc sont humectées avec de l’eau pure, la pile n’agit pas" mais que l’action de la pile est infiniment plus puissante quand on emploie de l’acide nitrique :

" Cinq couples avec de l’acide nitrique donnent des étincelles égales à celles de la pile ordinaire ; avec vingt couples la secousse est insupportable."

Volta n’avait attribué, au liquide imbibant ses rondelles de carton, que le rôle modeste d’un conducteur. Il lui faudra à présent admettre que le moteur de sa découverte se trouvait dans ce "détail" expérimental. C’est, en réalité, l’action chimique du liquide employé qui est essentielle. Après une suite d’observations heureuses mais d’interprétations erronées était venu le temps de "l’électrochimie".

De cette nouvelle conception allaient sortir d’autres modes de construction des appareils "électromoteurs". Cruikshank, collaborateur de Carlisle et Nicholson choisit de rendre horizontale la pile verticale. Dans une boîte de bois recouverte d’un vernis isolant, il place des plaques rectangulaires de cuivre et de zinc glissées dans des rainures aménagées dans la boîte et scellées au mastic. Les couples délimitent ainsi des cases régulières dans lesquelles est versée la solution conductrice choisie. On peut ainsi associer un nombre important de plaques de grande surface.

Certainement aurait-il été plus judicieux de conserver pour ce nouveau montage le terme "d’électromoteur" proposé par Volta, mais on continuera, comme aujourd’hui encore, à nommer "pile" cette construction qui n’en est plus une.

Ces piles d’un nouveau style ont des effets prodigieux. Celle de Pepys construite en 1802 comporte soixante paires de plaques carrées, zinc-cuivre, de six pouces de côté, plongeant dans une solution d’acide nitrique. Le courant obtenu fait fondre des fils de fer ayant jusqu’à trois millimètres de diamètre. La même année Davy en fait construire une qui exigeait d’être manipulée avec de nombreuses précautions. Elle se compose de quatre cents paires métalliques de cinq pouces carrés associées à quarante paires de un pied carré. Ce sont plusieurs centaines de volts qui sont ainsi disponibles entre ses pôles !

Son appareil construit, Davy se met au travail et livre ses premiers résultats le 29 décembre 1806 lors d’une lecture faite devant la "Royal Society". Après avoir étudié dans le détail l’expérience dite de "décomposition de l’eau", il s’attaque à l’action de la pile sur les solutions acides, alcalines ou salines.

Cherchant à décomposer la potasse et voulant éliminer l’influence de l’eau, il parvient à électrolyser le corps en fusion. Il voit alors apparaître, au pôle négatif, de petits globules, semblables à du mercure, et qui, très oxydables se recouvrent rapidement d’une couche terne.

Une course aux nouveaux éléments.

Davy vient de découvrir un métal nouveau auquel sera donné le nom de potassium. Il donne ainsi le départ d’une course à la recherche de nouveaux éléments. Lui-même découvre rapidement le sodium, le baryum, le strontium et le calcium.

Le laboratoire de Davy (Louis Figuer, Les Merveilles de la Science)

La renommée de Davy gagne le continent et, en 1808, l’Institut français des Sciences trouve enfin le successeur de Franklin et Volta et lui attribue le prix fondé par le Premier Consul et qui n’avait, jusqu’à présent, pu être attribué faute de candidat sérieux.

Cette réussite anglaise incite aussi Napoléon à faire construire au sein de l’école polytechnique une pile gigantesque de 600 couples cuivre/zinc de neuf décimètres carrés pour chaque plaque. L’ensemble avait 54 mètres carrés de surface et fut mis à la disposition des chimistes Gay-Lussac et Thénard.

La grande pile de l’Ecole Polytechnique (1813) (Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

Les Anglais ne voulant pas être en reste, une souscription permettait de construire, pour Davy, une nouvelle pile encore plus puissante. D’un type imaginé par Wollaston, elle associait deux cents éléments de dix plaques chacun associés en batterie soit un total de deux mille plaques. Trois fois plus que la pile de l’école polytechnique.

La pile de Wollaston construite en 1807 et utilisée par Davy (Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

Avec ce dispositif Davy découvrait l’arc électrique. En reliant les pôles de la pile par des charbons taillés en pointe, il observe la naissance d’une étincelle à l’éclat incomparable quand on approche ces deux pointes de quelques millimètres. En écartant ensuite les charbons on obtient un "arc" de plusieurs centimètres. La lumière obtenue peut, la nuit, éclairer, d’une lumière de plein jour, une pièce obscure. La chaleur de l’étincelle est suffisante pour volatiliser toute matière, aussi réfractaire soit-elle. Et ne parlons pas de la certitude d’être foudroyé si par inconscience on touchait, à la fois, les deux pôles de cette batterie.

La pile de Volta et ses premières applications ont totalement bouleversé la science électrique. La voie ouverte n’a rien à voir avec les approches passées. Finis les tubes et les sphères que l’on frotte pour observer des phénomènes que seuls les meilleurs manipulateurs sont capables d’obtenir. Il suffit d’une solution de sel ou d’acide et de plaques de métal réunies dans un montage à la portée de chacun pour obtenir des effets prodigieux.

Il est difficile d’imaginer que l’électricité n’a, pourtant, encore révélé qu’une modeste partie de son pouvoir. Et pourtant…

On peut trouver un développement de cet article dans ouvrage paru en septembre 2009 chez Vuibert : "Une histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron"

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 !).

L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent.  Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...

...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.

extrait du commentaire paru dans le Bulletin de l’Union des Physiciens.