Le blog d'histoire des sciences

La question sera très vite posée et nous allons nous autoriser à parcourir le temps qui nous mènera de Dufay à J.J. Thomson, en passant par Ampère et Maxwell, pour découvrir les différentes réponses qui lui seront apportées.

Le concept de courant électrique est déjà en germe dans les lettres de Franklin à ses correspondants. En définissant l’électricité comme un fluide qui peut s’accumuler sur un corps ou en être extrait, en désignant par le terme de "conducteur" les corps susceptibles de transmettre ce fluide, on introduit nécessairement l’idée d’un écoulement. Le mot "courant" est d’ailleurs utilisé par Franklin pour décrire les "effluves" qui s’échappent des conducteurs et M.E. Kinnersley, l’un de ses correspondants, qui a déjà eu l’occasion de lui signaler les effets différents du verre et du soufre, lui propose un premier montage propre à faire circuler ce fluide :

" Si un globe de verre est placé à l’un des bouts du conducteur, et un globe de soufre à l’autre, les deux globes étant également en bon état, et dans un mouvement égal, on ne pourra tirer aucune étincelle du conducteur, parce que l’un des globes attire (le fluide électrique) du conducteur aussi vite que l’autre y fournit ! ".

Le même Kinnersley observe l’effet calorifique du courant électrique. Il relie par un fil d’archal (autre nom du laiton, alliage de zinc et de cuivre), les deux armatures d’une batterie de bouteilles de Leyde (nous parlerons bientôt de ces premiers condensateurs électriques) : "le fil d’archal fut chauffé jusqu’au rouge". L’interprétation du phénomène est très "moderne" :

" On peut inférer de là que, quoique le feu électrique n’ait aucune chaleur sensible lorsqu’il est dans un état de repos, il peut par son mouvement violent et par la résistance qu’il éprouve, produire de la chaleur dans d’autres corps, en y passant pourvu qu’ils soient assez petits. Une grande quantité passerait au travers du gros fil d’archal sans y produire de chaleur sensible, tandis que la même quantité passant au travers d’un petit, étant restreinte à un passage plus étroit, et ses particules plus serrées les unes sur les autres, et éprouvant une plus grande résistance, elle échauffera ce petit fil d’archal jusqu’à le faire rougir et même jusqu’à le faire fondre".

Quant à s’interroger sur le sens de circulation de ce courant de fluide électrique, la question n’est jamais posée par les partisans du fluide unique tant la réponse est évidente : il circule nécessairement à travers le conducteur du corps qui en porte "en plus" vers celui qui en porte "en moins".

Le même point de vue est exprimé par le français Jean-Baptiste Le Roy (1720 - 1800) qui préfère pour sa part parler d’électricité "par condensation" et d’électricité "par raréfaction". Il décrit sa machine électrique comme une "pompe à électricité" qui refoule celle-ci de son pôle positif (le plateau de verre frotté) et l’attire à son pôle négatif (les coussins de cuir responsables du frottement). La circulation du fluide est clairement décrite :

"Si le fluide est raréfié d’un côté et condensé de l’autre, il doit se former un courant tendant du corps où il est condensé vers celui où il est raréfié".

Pour les tenants de la théorie du fluide unique, la définition du sens de circulation du courant électrique ne doit donc rien ni au hasard ni à une quelconque convention. Il est imposé par le modèle choisi : c’est du "plus" vers le "moins".

Les machines de Jean-Baptiste Le Roy sont une tentative sur la voie des générateurs électriques, il faudra cependant attendre le début du XIXème siècle et la construction de la première pile électrique par Volta pour que l’étude des courants électriques et de leurs effets prenne le pas sur celle des phénomènes statiques. Pour suivre cette histoire jusqu’à sa conclusion provisoire, commençons notre excursion vers des périodes plus proches de notre présent.

Nous ne détaillerons pas ici l’observation publiée en 1791 par Luigi Galvani et qui devait amener Volta à la découverte de la pile électrique. Nous y reviendrons. Disons simplement, pour le moment, qu’en assemblant des rondelles de cuivre et de zinc alternées et séparées par des rondelles de carton imprégnées d’une solution acide, Volta réalise une générateur capable de faire circuler un courant électrique dans un conducteur extérieur (fil métallique ou solution conductrice).

Ce courant est, pour Volta, constitué d’un fluide unique tel que celui décrit par Franklin. Un fluide qui circule, à l’extérieur de la "pile", de son pôle positif vers son pôle négatif. Mais les tenants des deux fluides ne désarment pas : la pile produit du fluide positif à l’un de ses pôles et du fluide négatif à l’autre, disent-ils. Deux courants en sens inverse, l’un de fluide positif, l’autre de fluide négatif, circulent donc dans le conducteur qui relie les deux pôles.

Ce sont d’abord les chimistes qui s’emparent avec bonheur de la pile voltaïque et ils ne tranchent pas la querelle. Des phénomènes extraordinaires se font jour au niveau des électrodes reliées aux pôles de la pile et plongées dans les multiples solutions conductrices testées. La nature et le sens de circulation du fluide électrique ne sont pas leur préoccupation première. Ils sont déjà suffisamment occupés par l’étude des propriétés de la multitude de nouveaux corps que l’électrolyse vient de leur faire découvrir.

Il faut attendre 1820 pour que Oersted ramène l’intérêt des physiciens sur les courants traversant les conducteurs métalliques en mettant en lumière leurs effets magnétiques et mécaniques.

Malgré l’opposition établie par Gilbert, l’hypothèse de la nature commune de l’électricité et du magnétisme n’a pas été totalement abandonnée. L’aimantation de tiges de fer sous l’action de la foudre est déjà signalée dans les oeuvres de Franklin de même que le mouvement d’une aiguille aimantée à l’occasion de la décharge d’une bouteille de Leyde. Malheureusement ces recherches étaient vouées à l’échec tant que leurs auteurs ne disposaient pas d’une source continue d’électricité.

Hans Christian Oersted (1777-1851), professeur de physique à l’Université de Copenhague est celui à qui la chance sourira. Occupé pendant l’hiver 1819, à montrer à ses élèves l’effet calorifique de la pile Volta, il observe le mouvement d’une aiguille aimantée située à proximité du conducteur traversé par le courant électrique. Une étude attentive lui montre que l’effet est maximal quand le fil conducteur est placé parallèlement à l’aiguille aimantée. Celle-ci tend alors vers une position d’équilibre perpendiculaire au fil. Le sens de ce mouvement dépend de l’ordre dans lequel les pôles de la pile ont été reliés au conducteur.

Expérience de Oesrsted.

Voir la vidéo sur le site Ampère/CNRS

Nous reviendrons sur cette expérience, acte de naissance de l’électromagnétisme. Pour le moment contentons nous de voir comment elle intervient dans la définition "du" sens du courant électrique.

Interprétant cette expérience nous dirions, aujourd’hui, que le sens de la déviation de l’aiguille dépend du sens du courant électrique. Oersted, lui, est adepte du modèle des deux fluides. Les courants de fluide positif et de fluide négatif, pense-t-il, se déplacent en sens inverse le long du conducteur. Héritier des théories cartésiennes, il les décrit sous la forme de deux "tourbillons" : La " matière électrique négative décrit une spirale à droite et agit sur le pôle nord" tandis que " la matière électrique positive possède un mouvement en sens contraire et a la propriété d’agir sur le pôle Sud ". Quand nous inversons les pôles de la pile auxquels est relié le fil conducteur, nous inversons le sens de chacun des courants et donc de leur effet sur la boussole.

Oersted réussit sans peine à faire entrer son interprétation dans le cadre théorique qui est le sien. La théorie des deux fluides résiste !

On sait que dès l’annonce, en France, des observations faites par Oersted, Ampère (1775-1836) commençait la série d’expériences qui allaient l’amener à la mise au point de la théorie de "l’électromagnétisme". Chacun connaît le fameux "bonhomme" placé sur le fil conducteur de telle sorte que le courant électrique lui entre par les pieds. On pourrait penser qu’avec Ampère le courant unique a fini par l’emporter. Erreur ! Ampère est un ferme partisan des deux fluides. Il le rappelle dans son "Exposé des Nouvelles Découvertes sur l’Electricité et le Magnétisme" publié à Paris en 1822 :

"Nous admettons, conformément à la doctrine adoptée en France et par beaucoup de physiciens étrangers, l’existence de deux fluides électriques, susceptibles de se neutraliser l’un l’autre, et dont la combinaison, en proportions déterminées, constitue l’état naturel des corps. Cette théorie fournit une explication simple de tous les faits et, soumise à l’épreuve décisive du calcul, elle donne des résultats qui s’accordent avec l’expérience".

Par contre il rejette les termes d’électricité vitrée et résineuse, il leur préfère ceux de positive et négative à condition que ces termes ne conservent que le sens d’une convention :

"Lorsqu’on admit l’existence des deux fluides, on aurait dû dire : ils présentent l’un à l’égard de l’autre les propriétés opposées des grandeurs positives et négatives de la géométrie ; le choix est arbitraire, comme on choisit arbitrairement le côté de l’axe d’une courbe où ses abscisses sont positives ; mais alors celles de l’autre côté doivent être nécessairement considérées comme négatives ; et le choix une fois fait, comme il l’a été à l’égard des deux électricités, on ne doit plus le changer".

En toute logique, la pile produit ces deux types d’électricité :

" Dans la pile isolée, chaque électricité se manifeste à l’une des extrémités de l’appareil, l’électricité positive à l’extrémité zinc, et l’électricité négative à l’extrémité cuivre". (Ampère respecte ici les polarités proposées par Volta et dont nous verrons qu’elles étaient erronées).

La conclusion est naturelle :

"Deux courants s’établissent toujours, lorsque l’on fait communiquer les deux extrémités de la pile."

Le courant d’électricité positive part de la lame positive et celui d’électricité négative de la lame négative. Comme les phénomènes magnétiques s’inversent quand on change le sens de ces deux courants il est nécessaire, cependant, de bien repérer ces sens. C’est l’occasion pour Ampère de proposer une convention commode :

"Il suffit de désigner la direction du transport de l’un des principes électriques, pour indiquer, en même temps, le sens du transport de l’autre ; c’est pourquoi, en employant dorénavant l’expression de courant électrique pour désigner le sens dans lequel se meuvent les deux électricités, nous appliquerons cette expression à l’électricité positive, en sous-entendant que l’électricité négative se meut en sens contraire".

Voici donc enfin ce fameux "sens conventionnel". En réalité, ce qu’il décrit n’est pas le sens du courant mais celui des courants. En choisissant d’appeler "sens du courant" celui de la circulation du fluide positif, Ampère a eu l’habileté de trouver un vocabulaire commun aux hypothèses "anglaise" et "française". Dès lors, le fameux "bonhomme d’Ampère" peut servir d’outil aux deux modèles :

"Pour ... définir la direction du courant relativement à l’aiguille concevons un observateur placé dans le courant de manière que la direction de ses pieds à sa tête soit celle du courant, et que sa face soit tournée vers l’aiguille ; on voit alors que dans toutes les expériences rapportées ci-dessus le pôle austral de l’aiguille aimantée est porté à la gauche de l’observateur ainsi placé".

L’observateur d’Ampère reçoit bien le fluide positif par les pieds mais reçoit également le fluide négatif par la tête.

"Bonhomme d’Ampère" nageant dans le courant
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

voir aussi :

Au sujet du sens du courant électrique, du bonhomme d’Ampère et du tire-bouchon de Maxwell.

Avec Ampère, c’est la théorie des deux courants qui s’impose en France et dans la plupart des Pays d’Europe, elle est encore classique dans les manuels du début du XXème siècle et exige des enseignants de véritables prouesses pédagogiques. Il n’est en effet pas commode d’exposer la façon dont les deux fluides peuvent se croiser sans se neutraliser.

L’Angleterre est en général restée fidèle à Franklin et au fluide unique. Maxwell (1831-1879), par exemple, souhaite une grande prudence vis-à-vis de la notion même de fluide électrique :

"Tant que nous ignorons si l’électricité positive ou négative, ou si l’électricité même est une substance, tant que nous ne saurons pas si la vitesse du courant électrique est de plusieurs millions de lieues par seconde ou d’un centième de pouce à l’heure, ou même si le courant électrique marche du positif au négatif ou dans la direction opposée nous devrons éviter de parler de fluide électrique". (Maxwell, traité élémentaire d’électricité - Paris - Gautier Villars - 1884).

Malgré cette prudence il faut bien choisir l’un des modèles pour interpréter les phénomènes électromagnétiques, c’est alors le fluide unique et le modèle de Franklin qui auront sa préférence :

"S’il existe une substance pénétrant tous les corps, dont le mouvement constitue le courant électrique, l’excès de cette substance dans un corps, au delà d’une certaine proportion normale, constitue la charge observée de ce corps".

Aucune ambiguïté avec le modèle de la "vis" (ou du "tire-bouchon", comme le préfèrent les français) proposé par Maxwell pour décrire l’expérience d’Oersted : elle avance, le long du fil, dans le sens du courant :

"Supposons qu’une vis droite s’avance dans la direction du courant, en tournant, en même temps, comme au travers d’un corps solide, c’est à dire dans le sens des aiguilles d’une montre, le pôle Nord de l’aimant tendra toujours à tourner autour du courant dans le sens de rotation de la vis, et le pôle sud dans le sens opposé".

Nous pourrons terminer cette brève histoire avec J.-J. Thomson (1856-1940). En 1897, il reconnaît, lui aussi, que rien, jusqu’à présent, n’a pu départager la "théorie dualiste" de l’électricité de la "théorie unitaire" :

"Les fluides étaient des fictions mathématiques, destinées seulement à fournir un support spatial aux attractions et répulsions qui se manifestent entre corps électrisés... Aussi longtemps que nous nous bornons à des questions qui impliquent seulement la loi des forces se manifestant entre des corps électrisés et la production simultanée de quantités égales d’électricité positive et négative, les deux théories doivent donner le même résultat, et il n’y a rien qui puisse nous permettre de choisir entre les deux... Ce n’est que lorsque nous portons nos investigations sur des phénomènes impliquant les propriétés physiques du fluide, qu’il nous est permis d’espérer pouvoir faire un choix entre les deux théories rivales".( J-J.Thomson. Electricité et Matière. Paris : Gautier Villars - traduction-1922)

Thomson, à cette période de sa vie, étudie le "rayonnement" qui traverse un tube vidé de son air et dont les tubes "cathodiques" équipaient, il n'y a pas si longtemps, les écrans de récepteurs de télévision et d’ordinateurs.

Au moment où, dans ce rayonnement, il découvre le "corpuscule d’électricité" que l’on appellera plus tard "électron", il pense faire, d’une certaine façon triompher ses couleurs nationales. Constatant que les rayons cathodiques sont constitués de "grains" d’électricité négative de masse plus de mille fois inférieure à celle du plus petit des atomes, celui d’hydrogène, il ne peut douter d’avoir assuré la victoire de son camp. Se souvenant que Franklin considérait que "La matière électrique est composée de particules extrêmement subtiles", il écrit :

"Ces résultats nous conduisent à une conception sur l’électricité qui a une ressemblance frappante avec la "théorie unitaire" de Franklin".

Le triomphe cependant n’est pas total :

" Au lieu de considérer, comme le faisait cet auteur, le fluide électrique comme étant de l’électricité positive, nous le considérons comme de l’électricité négative... Un corps chargé positivement est un corps qui a perdu une partie de ses corpuscules".

Il reste, en effet, ce mauvais choix initial : le verre frotté ne se charge pas d’électricité, il en perd !

Nous voici au moment où la situation se fige. Depuis un siècle et demi les conventions de Franklin ont imprégné la science électrique, Ampère a incrusté cette empreinte en fixant un sens conventionnel de circulation du courant. La découverte des électrons, puis des protons, impose une nouvelle interprétation de la conduction électrique. Les charges positives et négatives existent bien toutes les deux et il est vrai que, dans l’électrolyse, deux courants de charges opposées se croisent dans la solution d’électrolyte.

Dans les conducteurs métalliques, par contre, seules les charges négatives sont mobiles. Le fluide positif reste immobilisé dans les noyaux fixes des atomes. Le courant électrique doit à présent être considéré, dans un circuit métallique, comme un courant d’électrons se déplaçant du pôle négatif du générateur vers son pôle positif.

Cette découverte est-elle un évènement suffisant pour provoquer une révolution dans les conventions électriques ? Il faut constater qu’on s’accommodera de ces électrons qui se déplacent dans le sens inverse du sens "conventionnel". Ce déplacement n’est d’ailleurs pas spectaculaire. Nous pouvons à présent répondre à l’interrogation de Maxwell. La vitesse du courant d’électrons dans un courant continu n’est pas de plusieurs millions de lieues à la seconde et si elle est quand même supérieure à un centième de pouce à l’heure, elle ne dépasse pas quelques centimètres à l’heure. Ce résultat parle peu à l’imagination. Ce lent courant d’électrons s’accorde mal avec la puissance observée des phénomènes électriques. C’est peut-être pourquoi on préfère continuer à raisonner sur le courant mythique des premiers temps de l’électricité qui se précipitait du pôle positif où il était concentré vers le pôle négatif où il avait été raréfié.

Il reste un certain étonnement et parfois de l’irritation quand on présente au débutant cette contradiction dans la science électrique. Quoi ? Plus d’un siècle s’est écoulé et l’erreur n’est toujours pas réparée ?

D’une certaine façon cette "erreur" est bénéfique : elle casse le discours linéaire, elle force à l’interrogation et oblige à un retour sur l’histoire des sciences. Au moins les apprentis électriciens retiendront-ils que l’activité scientifique est une activité humaine, une activité vivante, et qu’on y rencontre parfois les cicatrices des erreurs passées.

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.