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29 janvier 2010 5 29 /01 /janvier /2010 11:33

Le bonhomme d’Ampère nous donne l’occasion de conclure un cours d’électricité sur le magnétisme d’un façon ludique en proposant aux volontaires de dessiner un bonhomme d’Ampère de leur choix.

 

Nous proposons ci-dessous quelques-unes des œuvres réalisées par des élèves landernéens des années 80/90 du siècle déjà passé.


Premier réflexe : caricaturer le prof.


Le même dans une nouvelle version.


 

La mode "punk" faisait fureur et il n’était pas exclu de voir un iroquois se battre au tableau avec la loi de Laplace. Ce bonhomme particulièrement réussi aurait sa place dans un musée d’art contemporain.


Mais le "hippy" aussi se portait bien.


 

En Bretagne, c’est la période Plogoff. Les lycéens de Landerneau ont été nombreux à y aller faire un tour. Les lance-pierres des manifestants échangent leurs projectiles avec les fusils lance-grenades des gardes mobiles. L’auteur de ce dessin choisit le "peace and love". Faites l’amour et pas le nucléaire !


 

Fin de la guerre froide. Le mur de Berlin est tombé. George Bush converti ?


Symbole de la fin des idéologies ?


 

Le MLF se réveille. Assez de la domination des mâles dans les sciences. ! Et pourquoi pas une "bonne-femme d’Ampère"


 

Et la défense des animaux ? Ne faudrait-il pas aussi rendre à la grenouille ce qui n’appartient pas au seul Galvani ?


 

Encore une bonne-femme d’Ampère directement sortie de sa bande-dessinée.


La BD inspire


Quatre Daltons pour un bonhomme


La tête de qui sur le billot ?


 

Du Bonhomme au Tire-bouchon.

 

Après Ampère et son bonhomme place à Maxwell et sa vis : le sens positif des lignes de champ circulaires qui entourent un fil parcouru par un courant est celui dans lequel tourne une vis qui avance dans le sens du courant.

 

Les français, peuple de "poètes", ont remplacé la vis de Maxwell par un tire-bouchon.


 

Concilier "bonhomme d’Ampère" et "Tire-bouchon de Maxwell" : une bonne idée à consommer modérément.


Pour en savoir plus :

 

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

 

Les auteurs de ces dessins ont également, sans le savoir, participé au livre :

Histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron. Vuibert, 2009. Table des matières

Ci-dessus : Version féérique d"une "bonne-femme d’Ampère".


Pour nous contacter


Voir aussi :

 

Sur le sire ampère.cnrs Quelques bonshommes... par des potaches du XXe siècle

 


 

 

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13 mai 2009 3 13 /05 /mai /2009 14:01

Lavoisier en Bretagne.


Dans l'année 1778, Lavoisier se trouve en Bretagne. Vraisemblablement en tournée d'inspection dans le cadre de sa charge de fermier général ou  de celle de régisseur de la régie royale des poudres.

 



Son séjour coïncide avec la visite que le Duc de Chartres fait, le 10 juin, aux mines de plomb argentifère de Poullaouen et Huelgoat dans l'actuel Finistère. Il se trouve alors dans cette localité et se joint à la visite.


Lavoisier découvre à Poullaouen une mine réputée pour son bon fonctionnement mais dont les techniques sont cependant encore proches de celles décrites par Agricola en 1556, dans "De Re Metallica", ouvrage dont plusieurs gravures illustrent le document réalisé en 1994 par des lycéens de Landerneau à l'occasion du bicentenaire de la mort de Lavoisier.( voir : Lavoisier à Poullaouen)

 


Les différentes machines nécessaires à l'extraction du minerai et aux opérations métallurgiques sont actionnées par l'eau d'une retenue qu'il a fallu alimenter par une multitude de canaux, d'aqueducs et même d'une galerie creusée dans le granit. Une machine à vapeur avait bien été installée en 1747 mais le coût prohibitif du charbon l'avait fait démonter dès 1752.

 



La visite fait l'objet d'une publication à l'académie des sciences. (voir Mémoire de l'Académie des sciences )


En chimiste, Lavoisier nous donne l'une des meilleures descriptions des procédés métallurgiques utilisés pour produire le plomb et en extraire l'argent. Le lecteur intéressé par l'histoire des sciences remarquera que le "père" de l'oxygène, qui vient de participer à la rédaction d'une nomenclature centrée sur ce corps, y fait la part belle au phlogistique dont il a combattu la thérie (voir : Lavoisier et le phlogistique ). Disons même que son exposé est un modèle de la théorie du phlogistique. Sans doute est-ce la condition pour que son mémoire soit retenu par ses pairs de l'Académie des Sciences non encore convertis à la nouvelle doctrine.


Le récit s'extrait de la chimie pour décrire un Duc de Chartre, futur Philippe Egalité, prenant des risques pour visiter tous les endroits de l'exploitation, y compris les galeries où il se fait montrer l'emploi des explosifs. Ou encore s'informant des conditions sociales de l'exploitation et en particulier des mesures prises pour "assurer aux ouvriers et à leur veuves une subsistance honnête dans les cas de vieillesse, d'infirmité ou d'accident".


La journée se termine par un concours de lutte bretonne suivi du traditionnel "fest noz", spectacle dont Lavoisier considère qu'il "retrace le tableau des mœurs antiques" à travers des jeux "tels que ceux que nous décrit Homère".


Passage par Brest.


Quelques jours plus tôt, le 5 juin, Lavoiser était à Brest. Dans une lettre qu'il adresse au chimiste Macquer, il décrit le spectacle que lui offrent les manœuvres de la flotte de guerre qui bientôt sera engagée contre l'Angleterre dans le cadre de la guerre d'indépendance des Etats Unis :


" J'ai dans le moment sous les yeux le spectacle de la plus grande partie des forces maritimes de la France. Vingt cinq vaisseaux de ligne sont en rade, deux sont prêts à sortir du port, cinq ou six autres seront prêts à la fin de la campagne. M. Dorvilliers commande la flotte. M. le Duc de Chartre et M. du Chaffau commandent chacun une division de neuf vaisseaux. Chaque jour la flotte fait des évolutions et on  fait détonner force salpêtre. Outre cette flotte il y a une chaîne de frégates depuis le port de Brest jusqu'aux côtes d'Angleterre qui sont en observation et par une communication de signaux on sait tout ce qui se passe en Angleterre. Je ne suis pas dans le secret mais on assure que l'amiral Keppel n'est pas sorti, que l'amiral Biron qui était sorti de Porsmouth est rentré à Plymouth peu de jours après ainsi M. Destaing sera passé sans obstacle."


La bataille qui engagera les deux flottes aura lieu le 27 juillet dans les parages de Ouessant. Considérée comme une victoire par la France (ce que contestent les anglais), la "Bataille d'Ouessant" voit le Duc de Chartre y prendre une part active et être qualifié de "héros" par les uns et de "maladroit" par les autres, la division qu'il commandait n'ayant pas su exploiter l'avantage quel avait acquis par une manœuvre audacieuse et ayant finalement laissé fuir les anglais.


L'escapade à Poullaouen n'était probablement, pour le Duc de Chartre comme pour Lavoisier, qu'un parenthèse entre d'autres affaires plus importantes. Le texte de Lavoisier, qui en résulte, est cependant d'une extrême importance par le témoignage qu'il apporte des procédés métallurgiques et du fonctionnement d'une mine à la fin du 18ème siècle.

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13 mai 2009 3 13 /05 /mai /2009 08:23

Lavoisier et le phlogistique.

 

Peut-on parler du modèle de la combustion proposé par Lavoisier sans parler du phlogistique ?

 

Un nom est attaché à la théorie du phlogistique, celui de Georg Ernest Stahl (1660-1734), chimiste et médecin du roi de Prusse. Nous n'exposerons pas ici le détail de la théorie de Stahl, mais nous pourrons l'évoquer dans une forme proche de celle qu'enseignait en France le chimiste Guillaume-François Rouelle (1703-1770).

 

Rouelle donnait à Paris des cours de chimie, véritables spectacles, qui attiraient la meilleure société de la capitale. Diderot a été son élève et a noté ses cours mais aussi Lavoisier. Sa "chimie phlogistique" y était présentée d'une façon claire et dépouillée.

 

Le phlogistique (du grec phlogos, flamme) est la matière du feu. Un corps qui brûle libère son phlogistique. Certains corps peuvent même être considérés comme du phlogistique pratiquement pur, le charbon par exemple qui disparaît presque totalement dans une combustion en ne laissant que peu de cendres. Les métaux aussi peuvent brûler, l'observation montre que l'on obtient ce que le 17ème siècle appelle une chaux métallique.

 

Selon l'interprétation de Stahl suivi par Rouelle, une chaux métallique est donc un métal qui a perdu son phlogistique : un métal déphlogistiqué.

 

C'est aussi cette même chaux que l'on trouve dans les minerais. L'observation des procédés métallurgiques apprend que, partant de cette chaux métallique, on obtient le métal par l'action du charbon qui, non seulement apporte la chaleur nécessaire à la fusion, mais qui doit également être au contact du minerai, jouant lui-même le rôle d'un réactif chimique.

 

La réaction de réduction de la chaux en métal s'interprète donc de façon simple : le phlogistique libéré par la combustion du charbon se fixe sur la chaux métallique et régénère le métal.

 

Chaux métallique         +        Charbon               ->   Métal

                     (métal déphlogistiqué)     (phlogistique) 

 

De même la combustion d'un métal :

 

Métal   ->  Phlogistique   +  Chaux métallique

 

La théorie est séduisante et, avant d'en être l'adversaire victorieux, Lavoisier s'exprimera lui-même en phlogisticien convaincu.

 

Un problème cependant : tous les métallurgistes savent qu'une livre de plomb fondu et maintenu en fusion sous le courant d'air d'un soufflet se transforme bientôt en une masse de litharge (chaux de plomb) de poids supérieur à celui du plomb initial. Le plomb a pourtant perdu son phlogistique, comment expliquer qu'il s'alourdisse ?   A l'inverse comment expliquer que ce même plomb retrouvant son phlogistique par l'action du charbon devienne plus léger ?

 

Une explication est communément avancée : le phlogistique  s'échappant du métal, celui-ci se resserre à l'image d'une éponge privée d'eau. Il deviendrait donc plus "lourd". Explication évidemment peu satisfaisante qui confond masse et densité et qui est pourtant celle de personnes considérées comme "savantes". Nos lycéens contemporains qui, eux aussi, confondent parfois les deux notions n'ont donc pas à en rougir.

 

Des Philosophes de la Nature mieux éclairés et plus imaginatifs évoquent un phlogistique à "masse négative", mais sans convaincre.

 

La nécessité de répondre à cette contradiction et sa connaissance de la nouvelle chimie des airs amènent Lavoisier à refuser une théorie unanimement admise mais dont les faiblesses sont de plus en plus évidentes. Un combat qu'il engage en 1777 par le rédaction de réflexions sur le phlogistique et qui trouve son aboutissement en 1877 avec la publication de la Méthode de nomenclature chimique en collaboration avec Guyton de Morveau, Berthollet et Fourcroy.

 

Refusant le Phlogistique, Lavoisier interprète les calcinations et combustions à partir d'un principe que nous considérons aujourd'hui comme évident mais qui était en rupture avec la tradition du moment, à savoir que l'air est  composé de deux gaz. L'un que Lavoisier proposera d'appeler Azote (qui prive de la vie), l'autre Oxygène (qui génère les acides).

 

La combustion devient alors un gain de matière, une "oxygénation", suivant un schéma désormais classique  : 

 

Métal   +   oxygène  ->   oxyde métallique

 

La réduction d'un minerai à l'état de métal par le carbone  devient :

 

Oxyde métallique   +   carbone   ->   métal   +  oxyde de carbone

 

Mais les chimistes français devront batailler ferme pour le faire admettre.

 

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Quand Lavoisier était encore Phlogisticien

 

Au cours de l'année 1994, bicentenaire de la mort de Lavoisier, cherchant à en savoir plus sur le brillant chimiste, nous avons eu connaissance de sa visite dans le Finistère par un rapport adressé à l'Académie des Sciences.

 

L'année 1778, il participait à une visite d'inspection de la mine de plomb argentifère de Poullaouen près de Huelgoat et détaillait les méthodes métallurgiques utilisées. Depuis un an, le combat contre le phlogistique était engagé. Cependant le rapport de Lavoisier, acte de nature administrative, est un modèle de mise en œuvre de la théorie de Stahl et sans doute l'une des meilleures illustrations de cette théorie.

 

Le minerai de Poullaouen est un sulfure de plomb (la galène) qui doit d'abord subir un "grillage" pour être transformé en oxyde de plomb avec libération de dioxyde de soufre. L'oxyde devra alors être réduit en plomb par l'action du carbone.

 

Lavoisier décrit la méthode : " La première opération à faire est de griller la mine (le minerai) pour détruire le soufre par combustion et pour le volatiliser. Cette opération ne peut se faire sans qu'une partie du métal se réduise en chaux ; et on ne peut le ramener à l'état métallique que par l'addition de phlogistique".

 

Après avoir décrit le fourneau utilisé, Lavoisier décrit le procédé : " De temps en temps on jette dans le fourneau quelques pelletées de menu charbon de terre ou de bois, pour rendre le phlogistique au métal, et ce dernier, lorsqu'il est fondu et revivifié, se rassemble par la pente naturelle du fourneau dans le milieu, où on a soin de le tenir toujours couvert avec du charbon embrasé."

 

En cette année 1994, Lavoisier nous a amenés à parler du phlogistique dans une classe de seconde du lycée de l'Elorn qui marquait l'évènement par une exposition.

 

 

Les élèves ont positivement apprécié cette théorie qui, de leur avis, "n'était pas si mal imaginée". Certains qui étaient tombés dans les pièges tendus par le professeur dans des cours précédents( voir : Chimie au lycée. En classe avec Lavoisier.), ont eu le plaisir de constater que leurs "erreurs" d'aujourd'hui étaient assez proches de "vérités" de certains chimistes du 18ème siècle.

 

Le phlogistique ne fait plus partie de notre mémoire collective, pas même de celle de la communauté des chimistes, pourtant certains indices laissent entendre qu'il agit encore dans certaines franges de notre inconscient en orientant notre raisonnement vers de mauvaises pistes.

 

C'est sans doute une raison suffisante pour que la "révolution chimique" introduite par Lavoisier et les "chimistes français" mérite au moins d'être encore contée.

 

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Voir aussi : Lavoisier : "Cette théorie est la mienne".

 

 

 

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8 mai 2009 5 08 /05 /mai /2009 13:52

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En Classe avec Lavoisier.
par Gérard Borvon

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Cet article est  issu de cours de chimie assurés pendant plusieurs années dans les classes de secondes du lycée de l'Elorn à Landerneau. Le principe de ce travail est d'utiliser l'histoire des sciences, non pas comme un simple accompagnement, mais comme un des outils de l'apprentissage. Dans le cas présent, il s'agit d'utiliser les travaux de Lavoisier pour construire le cours du premier trimestre d'enseignement de la chimie en classe de seconde.


Ce travail a fait l'objet de trois publications.

Dans le Bulletin de l'Union des physiciens sous le titre : "1789 dans le laboratoire de Lavoisier". n° 720. p 39-55
.1989.

Dans : Les Cahiers de Beaulieu. Université de Rennes. n°23. 1997.

Dans : Histoire des sciences et des techniques. Editions du CRDP de Bretagne.  p 365-379.
1997.

Suite à ces publications, les fiches et la méthode ont été mises en oeuvre par plusieurs collègues qui y ont apporté leur propre créativité.

Cet article, à ranger dans la catégorie "didactique", ne doit pas effrayer le lecteur occasionnel. Il a été rédigé pour s'adresser à des enseignants, futurs ou actuels mais il devrait pouvoir aussi concerner toute personne s'intéressant à l'éducation, à l'histoire ou aux sciences. C'est du moins le souhait de l'auteur.
 
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Une exposition au lycée de l'Elorn à Landerneau pour le bicentenaire de la mort de Lavoisier
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Lavoisier est entré dans notre classe, au lycée de l'Elorn à Landerneau, par l'intermédiaire de son Traité élémentaire de chimie publié en 1789. Un livre de cours à l'usage des chimistes débutants qui se proposait de former un chimiste en deux ans et auquel on peut encore emprunter quelques manipulations commodes.

 

La chimie, en classe de seconde des lycées, peut être considérée comme le passage de l'approche qualitative du collège à une approche plus quantitative. Nous allons apprendre la mole, les masses et les volumes molaires. Nous allons être capables de déterminer des proportions stœchiométriques d'une réaction et d'en déduire les quantités de produits obtenus. Lavoisier, le chimiste de la mesure, ne serait-il pas le meilleur des guides pour accompagner cette évolution ?

 

Nous hisser, après trois mois d'études, au niveau de la recherche "de pointe" de la fin du XVIIIe siècle, passer les résultats de Lavoisier au crible de nos connaissances actuelles, comparer son travail expérimental au nôtre, confronter son modèle de la combustion à nos représentations intuitives : voilà de quoi donner des couleurs à notre début de cours.

 

Un premier trimestre en classe de seconde.

 

Début septembre on prépare le terrain par un TP.

 

Commencer par une séance de travaux pratiques, un "TP", est une bonne façon de prendre contact au moment d'une rentrée scolaire. C'est, dès l'abord une occasion d'entrer en possession du laboratoire et du matériel, flacons, bec Bunsen, réactifs.

 

Ce premier TP aura pour thème : "Combustions dans le dioxygène, celle du carbone, du soufre (sous la hotte), du fer, du magnésium". Ce TP mettant en œuvre un matériel divers annonce déjà Lavoisier et l'observation de la combustion du fer qui l'amène à formuler l'hypothèse de l'existence du dioxygène dans l'air. Il est aussi l'occasion d'accumuler des écritures de réactions chimiques qui seront rapidement utiles dans la suite du cours et dans les exercices.

 

Pour la combustion du fer nous utilisons de la "laine de fer", produit généralement utilisé pour l'entretien du bois des meubles. Son intérêt est une combustion vive qui se fait avec une forte incandescence mais sans émission d'étincelles.

 

Première manipulation : Un flacon est empli de dioxygène. Un tampon de laine de fer est placé à l'extrémité d'un crochet suspendu à une plaque de bois assez grande pour obturer le flacon. Le seul fait de passer rapidement ce tampon dans la flamme éclairante d'un bec bunsen en enflamme quelques fragments. Il faut alors le plonger rapidement mais sans heurt dans le flacon. La goutte d'oxyde magnétique obtenue après combustion adhère fortement au crochet.

 

Un premier sondage nous permettra d'évaluer l'image que se font les élèves de la combustion, sujet déjà étudié en collège.

 

Dès la fin de la manipulation chacune et chacun est invité à prendre un papier afin d'y inscrire son nom  et de répondre à deux questions posées l'une après l'autre. :

 

1ère question : La matière qui reste fixée au crochet est-elle : moins lourde, de même masse, plus lourde, que celle du fer initial ?

 

2ème question : justifiez votre choix par une courte phrase (posée après la réponse à la première.

 

Les papiers sont ramassés sans autre commentaire immédiat. Le dépouillement effectué après le cours indiquera (chiffres de 1993 représentatifs de la répartition régulièrement observée) :

 

- 3 "moins lourd".
- 15 "même masse".
- 9 "plus lourd".

 

Les cours à venir semblent devoir être utiles !

 

En classe, on se sera contenté de traduire la réaction par l'équation :

 

3 Fe + 2 O2 -> Fe3O4

 

 

Cette équation, comme celles qui l'accompagnent dans ce TP, devront être retenues par cœur (c'est du moins le souhait du professeur). Nécessaire cet apprentissage ? Ces quelques formules seront un bagage, léger mais utile, pour les étapes ultérieures. Par exemple pour illustrer un calcul de masse molaire ou pour explorer le tableau périodique.

 

 

Début novembre : la mesure en chimie.

 

Dans un cours sur "La mesure en chimie", nous introduisons l'ensemble des outils utiles à un élève de seconde : le nombre d'Avogadro, la mole, les masses molaires, le volume molaire et la densité des gaz.

 

Des exercices faisant appel aux proportions stœchiométriques deviennent alors possibles. On peut, par exemple, calculer la masse d'oxyde magnétique obtenue à partir d'une quantité donnée de fer ainsi que le volume de dioxygène nécessaire. Le moment est alors venu de faire intervenir Lavoisier.

 

Mi-novembre : Lavoisier dans notre classe.

 

Les fiches ci jointes, relatant la combustion du fer par Lavoisier et proposant un exercice sur ce thème sont distribuées. Une courte présentation du chimiste est faite et les élèves sont eux-mêmes invités à rassembler une documentation et à réaliser un dossier personnel le présentant dans son époque et situant sa place dans le développement de la chimie. Les fiches et le dossier seront remis au professeur quinze jours plus tard.

 

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Fiche n° 1 : Masses, longueurs, volumes à l'époque de Lavoisier.

 

Lavoisier est véritablement le premier chimiste à avoir accordé toute son importance à la mesure en chimie. Son activité de fermier général fait de lui un homme riche qui peut utiliser revenus pour faire fabriquer les meilleurs instruments de l'époque. Son laboratoire est aujourd'hui une des pièces essentielles présentées dans le musée des Arts et Métiers à Paris.

 

Dans son "Traité élémentaire de chimie", il relève la difficulté pour le commerce de la diversité des étalons de mesure, en particulier ceux des masses. La livre, dit-il "diffère d'un royaume à un autre, d'une province et souvent même d'une ville à une autre".

 

Les chimistes, par contre, devraient pouvoir échapper à ces inconvénients dans la mesure où les réactions chimiques sont une question de proportions. Peu importe la livre choisie pourvu que les masses soient partout exprimées avec les mêmes divisions. D'où la proposition par Lavoisier d'un système décimal :

 

"Ces considérations m'ont fait penser qu'en attendant que les hommes, réunis en société, se soient déterminés à n'adopter qu'un seul poids et qu'une seule mesure les chimistes, de toutes les parties du monde, pourraient sans inconvénient se servir de la livre de leur pays, quelle qu'elle fût, pourvu qu'au lieu de la diviser, comme on l'a fait jusqu'ici, en fractions arbitraires, on se déterminât par une convention générale à la diviser en dixièmes, en centièmes, en millièmes, en dix-millièmes, etc. c'est-à-dire, en fractions décimales de livres".

 

A la fin de son traité de chimie, Lavoisier propose donc des tables de conversion entre le système de mesure français et un système décimal. Lui-même fait fabriquer des masses décimales pour ses propres balances.

 

Exercice : compléter les tableaux suivants.

 

Mesure des masses : Au 18ème siècle le système de masse, en France, comprend : la livre, le marc, l'once, le gros, le grain.

 

 

 

 

Unité du 18ème siècle

Définition

Valeur en grammes

Livre

Marc

Once

Gros

grain

 

1 marc=1/2 livre

1 once= 1/16 livre

1 gros=1/8 once

1 grain=1/72 gros

489,5 g

 

 

Mesure de longueurs : Le système comprend le pied, le pouce, la ligne, le 1/12 de ligne.

 

 

Unité du 18ème siècle

définition

Valeur en cm

Pied (de roi)

Pouce

Ligne

1/12 de ligne

 

1 pouce=1/12 pieds

1 ligne=1/12 pouce

32,5 cm

 

 

 

Volumes : Les chimistes utilisent le pouce cube (ou pouce cubique).

 

Convertir.

 

1 pouce cube =               cm3

1 litre =                             pouce cube

 

 

Exercice : Lavoisier trouve qu'une livre d'eau a un volume de 24,687 pouces cubiques. Etes-vous d'accord ? (à rédiger sur feuille séparée)

 

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Fiche n° 2 : Analyse d'une expérience fondamentale : la combustion du fer dans l'oxygène.
 

 

Dans son traité élémentaire de chimie (1789), Lavoisier décrit une combustion de fer dans le dioxygène qui ressemble beaucoup à celle que nous réalisons au laboratoire.

 

"Tout le monde connaît aujourd'hui la belle expérience de M.Ingenhouz sur la combustion du fer. On prend un bout de fil de fer très fin BC, (figure ci-contre), tourné en spirale, on fixe l'une de ses extrémités B , dans un bouchon de liège A, destiné à boucher la bouteille DEFG. On attache à l'autre extrémité de ce fil de fer, un petit morceau d'amadoue C. Les choses ainsi disposées, on emplit avec de l'air dépouillé de sa partie non respirable*, la bouteille DEFG.

 

 

On allume l'amadou C, puis on l'introduit promptement, ainsi que le fil de fer BC dans la bouteille, et on la bouche comme on le voit dans la figure que je viens de citer.

 

Aussitôt que l'amadoue est plongée dans l'air vital*, elle commence à brûler avec un éclat éblouissant ; elle communique l'inflammation au fer, qui brûle lui-même en répandant de brillantes étincelles, lesquelles tombent au fond de la bouteille, en globules arrondis qui deviennent noirs en se refroidissant, et qui conservent un reste de brillant métallique. Le fer ainsi brûlé, est plus cassant et plus fragile, que ne le serait le verre lui-même ; il se réduit facilement en poudre et est encore attirable à l'aimant, moins cependant qu'il ne l'était avant sa combustion."

 

*remarque : " l'air dépouillé de sa partie non respirable" est l'oxygène ou "air vital". A ce moment de son cours, Lavoisier n'utilise pas les mots oxygène et azote qu'il a cependant déjà définis deux ans plus tôt mais qui ne sont pas encore dans le langage courant. Il les introduira dans la suite de son livre. La "poudre d'algoroth", le "sel alembroth", le "pompholix", le "turbith minéral", sont des termes familiers aux chimistes du 18ème siècle alors que les mots oxygène ou hydrogène sont considérés comme barbares !

 

Pour pouvoir effectuer des mesures précises, Lavoisier élabore un montage d'une grande ingéniosité ( voir figures 3 et 11).

 

 

Le fer est placé dans une soucoupe sous une cloche contenant du dioxygène, l'ensemble étant posé sur une cuve à mercure. On peut ainsi mesurer le volume de dioxygène consommé dans la combustion et la masse de l'oxyde de fer formé. Remarquez (figure 11) l'emploi d'une loupe pour enflammer une mèche à travers le verre de la cloche.

 

 

Quand la combustion est terminée :

 

"On enlève doucement la cloche ; on détache de la capsule les globules de fer qui y sont contenus ; on rassemble soigneusement ceux qui pourraient s'être éclaboussés et qui nagent sur le mercure, et on pèse le tout. Ce fer est dans l'état de ce que les anciens chimistes on nommé éthiops martial ; il a une sorte de brillant métallique ; il est très cassant, très friable, et se réduit en poudre sous le marteau et sous le pilon. Lorsque l'opération a bien réussi, avec 100 grains de fer on obtient 135 à 136 grains d'éthiops. On peut donc compter sur une augmentation de poids au moins de 35 livres par quintal.

 

Si l'on a donné à cette expérience toute l'attention qu'elle mérite, l'air se trouve diminué d'une quantité en poids exactement égale à celle dont le fer a augmenté. Si donc on a brûlé 100 grains de fer et que l'augmentation de poids que ce métal a acquise ait été de 35 grains, la diminution du volume de l'air est assez exactement de 70 pouces cubiques à raison d'un demi grain par pouce cube. On verra dans la suite de ces Mémoires, que le poids de l'air vital est en effet, assez exactement d'un demi-grain par pouce cube."

 

Par la description qu'il en donne, on aura compris que le corps appelé par Lavoisier éthiops martial est ce que nous appelons oxyde magnétique auquel nous avons déjà donné la formule Fe3O4.

 

Relevons encore dans le texte suivant le souci de rigueur expérimentale chez Lavoisier :

 

"Je rappellerai ici une dernière fois que dans toutes les expériences de ce genre, on ne doit point oublier de ramener par le calcul le volume d'air au commencement et à la fin de l'expérience à celui qu'on aurait eu à 10 degrés du thermomètre, et à une pression de 28 pouces : j'entrerai dans quelques détails sur la manière de faire ces corrections, à la fin de cet ouvrage."

 

Aujourd'hui nous savons que le volume molaire des gaz est 22,4 l à la température de 0°C et à la pression de 760mm de mercure. On vérifiera facilement que la pression de 28 pouces est très proche de la valeur précédente. Par contre la température de 10° correspond à l'échelle Réaumur qui va du 0°R de la glace fondante au 80°R de l'eau bouillante, c'est donc une température correspondant à 12,5°C de notre échelle.

 

L'utilisation de la "loi des gaz parfaits" nous permettra de calculer le volume molaire des gaz dans les conditions du laboratoire de Lavoisier : 23,5 l.

 

Nous pouvons maintenant comparer nos connaissances avec les résultats expérimentaux de Lavoisier.

 

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Exercice : (à rédiger sur feuille)

 

1) Quelle masse de fer exprimée en grammes représentent 100 grains de fer.

 

2) Quelle quantité théorique d'oxyde magnétique (exprimée en grammes puis en grains) peut-on obtenir par la combustion de ces 100 grains de fer ? Comparez à la valeur mesurée par Lavoisier.

 

3) Quel est le volume théorique de dioxygène (exprimé en litres puis en pouce-cubes) consommé dans cette réaction si le volume molaire des gaz est 23,5 l ? Comparez à la valeur proposée par Lavoisier.

 

4) Lavoiser indique que la masse (le "poids") du dioxygène ("air vital") est assez exactement d'un demi-grain par pouce-cube. Déterminez la masse volumique du dioxygène en g/cm3 puis en grain/pouce cube et comparez à la valeur proposée par Lavoisier ( le volume molaire des gaz étant 23,5 l).

 

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Len résultat est généralement intéressant. La lecture du texte de Lavoisier est commode, l'étude stœchiométrique de la réaction de combustion du fer a déjà été faite en classe sous forme d'exercice d'application, le travail avec les valeurs proposées par Lavoisier est donc une forme de révision. C'est surtout une façon de comparer les calculs résultant de la théorie enseignée aux valeurs expérimentales de Lavoisier et de constater la remarquable précision de celles-ci.

 

Nous laisserons aux chimistes en herbe et à leurs professeurs le soin de compléter ces fiches. Pour répondre à la curiosité du lecteur pressé, disons simplement que le calcul indique une masse de 138 grains  d'oxyde magnétique obtenus pour 100 grains de fer, à comparer aux 135 ou 136 grains mesurés par Lavoisier. Ce qui donne à l'expérience de Lavoisier un rendement expérimental de 98% qui mérite d'être signalé.

 

Plus tard, dans un autre TP dont nous reparlerons, les élèves seront eux-mêmes mis en mesure de mesurer et de comparer leurs propres résultats expérimentaux avec ceux du célèbre ancêtre.

 

Les dossiers remis par les élèves sont également généralement de bonne qualité. Les moyens de reprographie et de traitement de textes disponibles dans les années 90 permettent des présentations agréables en un minimum de temps. Internet n'existe pas encore dans les centres de documentation des lycées, la recherche demandait donc un travail d'investigation relativement important, pourtant, de l'avis général, ce travail était plutôt considéré comme un des bons moments du cours de chimie.

 

L'expérience pourrait s'arrêter là mais il est logique de poursuivre.

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Travaux pratiques avec Lavoisier ou comment sortir d'un piège didactique.

 

Fin novembre, une nouvelle séquence de travaux pratiques est proposée sous le titre "Combustion du fer dans le dioxygène. Proportions stœchiométriques".  La réaction a déjà été réalisée au premier TP, elle a fait l'objet de plusieurs exercices en classe, il est clairement exposé que l'intérêt de la refaire réside dans notre capacité nouvelle à en prévoir les conditions quantitatives initiales et le résultat final à partir d'un calcul.

 

La séance commence donc par la résolution d'un problème portant sur les conditions initiales de l'expérience :

 

Problème : On souhaite réaliser la combustion de 1g de fer dans le dioxygène. Quel est le volume de dioxygène nécessaire ? (on prendra 24 l pour volume molaire des gaz). Le flacon utilisé contient 650 cm3 de dioxygène. Est-ce suffisant ?

 

Le calcul indique un volume minimum de 286 cm3 de dioxygène, les conditions sont donc remplies et il est possible de passer à la manipulation.

 

Manipulation : 1 g de laine de fer est pesé, le tampon fixé au crochet est rapidement passé dans la flamme d'un bunsen et plongé dans le flacon de dioxygène. La combustion se fait sans étincelles et la boule brillante d'oxyde magnétique reste à nouveau fixée au crochet.

 

 

C'est alors que les élèves sont invités à prendre un papier et que deux questions leur sont posées.

 

1ère Question : La matière qui reste fixée au crochet est-elle, moins lourde, de même masse, plus lourde, que celle du fer initial ?

 

2ème Question (posée après la réponse à la première) : justifiez votre choix.

 

On aura reconnu les questions posées dès la première séance, avant même que le cours soit abordé. Cette façon d'agir était initialement destinée à vérifier les progrès des élèves, on verra par la suite que son objectif aura varié.

 

Les papiers sont ramassé, ils seront dépouillés par la suite. Cependant il est possible de faire un sondage oral. Nous donnerons ici encore les chiffres de l'année 1993-1994.

 

-         Qui a répondu moins lourd ? 2 élèves (3 en septembre)

 

-         Qui a répondu même masse ? 15 élèves ( 17 en septembre)

 

-         Qui a répondu plus lourd ? 9 élèves (9 en septembre)

 

Des proportions figées à trois mois d'intervalle malgré un enseignement particulièrement répété. De quoi désespérer le professeur le mieux trempé quand, du moins, il rencontre ce résultat  pour la première fois. Le professeur averti saura que le même test pratiqué plusieurs années de suite donne à chaque fois des résultats proches.

 

La question était donc en elle-même un "piège didactique" dans lequel professeur et élèves semblaient être tombés. Restait à en sortir honorablement et, pourquoi pas, en faire un élément d'apprentissage.

 

Trois réponses différentes donc dans la classe. Comment trancher ? Les balances sont à portée de main sur les paillasses et tout naturellement quelqu'un propose : et si on pesait ?

 

Mais la mesure n'est pas encore faite qu'une agitation gagne les rangs. Un premier qui avait pronostiqué une masse égale se ravise : "Ah oui, bien sur, je me suis trompé, on a fait l'exercice, cela doit peser plus".  Avis rapidement partagé par une écrasante majorité. L'autorité de la chose enseignée vient de faire irruption dans la classe et a rapidement raison de l'intuition première pourtant solidement ancrée quelque part, dans un de ces lieux secrets du cerveau.

 

Pesons tout de même ! Et nous obtenons une série de mesures comprises entre 1,30g et 1,40g. La masse augmente bien !

 

La vérification par la pesée. Aujourd'hui, à la place du trébuchet, on trouverait des balances électroniques sur les paillasses.

 

Et maintenant calculons ! Un calcul rapide prévoit une masse de 1,38g d'oxyde magnétique. Certaines, ou certains, se rappellent alors que Lavoisier obtenait de 135 à 136 grains d'éthiops martial  à partir de 100 grains de fer. Et chacun de comparer son travail à celui de Lavoisier, et le professeur de rappeler que celui-ci disposait des meilleurs instruments de mesure de l'époque ce que chacune et chacun  est invité à aller le vérifier, à l'occasion d'un passage à Paris, en visitant le musée du Conservatoire des Arts et Métiers.

 

A la fin de cette séance, Lavoisier est un peu plus présent dans la classe. La conscience de l'importance de l'expérience, et surtout de la mesure, en sort renforcée. Sur un plan plus pratique, chacun a la conviction qu'il ne tombera plus dans ce piège (hélas, les professeurs ont le secret des pièges dans lesquels on tombe si facilement ! ).

 

J'ai retrouvé l'année suivante, en première, quelques uns et quelques unes de ces élèves. A l'occasion d'un travail sur la "chimie de la photographie" (c'était encore l'époque du noir et blanc argentique officiellement né, en 1839, avec Niepce et Daguerre), j'ai interrogé l'ensemble de la classe sur l'époque à laquelle on pouvait situer le début de la chimie. A la totale surprise de leurs camarades, ces élèves se sont rappelés Lavoisier, sa découverte du rôle de l'oxygène, sa mort sur l'échafaud en 1794. Je ne sais pas si le piège de la combustion du fer aurait encore fonctionné, mais au moins j'ai pu vérifier qu'un morceau de "culture scientifique" s'était installé pour quelque temps dans leur mémoire.

 

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Analyse d'un piège didactique

 

 

Pour éclairer la persistance du pourcentage de réponses "justes" et "fausses" après un trimestre de cours, il est intéressant d'analyser les explications apportées par les élèves pour justifier leur choix.

 

 

 

 

Pourquoi "moins lourd" ?

 

 

C'est la réponse de 3 élèves sur 29.

 

Aurélien : Elle est moins grande qu'avant, une partie de la masse de fer a été brûlée par le dioxygène.

 

Maël : Moins lourd car le fer s'est consumé, donc sa masse a diminué par rapport à sa masse initiale.

 

Les mots "combustion", "brûler", "consumer", induisent presque nécessairement l'idée d'une perte de matière. L'image forte est celle du bois qui se consume en ne laissant que peu de cendres.

 

 

Il n'est d'ailleurs que de consulter un dictionnaire courant pour le vérifier. Par exemple, dans le Larousse en trois volumes (édition 1970).

 

"Combustion : action d'un corps qui se consume par le feu : quelques tourbes ne laissent qu'un faible résidu après la combustion"

 

"Consumer : v.tr. (lat.consumere, détruire peu à peu). Détruire peu à peu en réduisant à rien : la rouille consume le fer - une maison consumée par les flammes  - la passion le consume - il se consume de chagrin - les bûches se consument lentement."

 

Nous pouvons trouver quelque excuse à nos élèves si les très sérieux auteurs du Larousse ont de la combustion l'image de la rouille "consumant" le fer.

 

Lavoisier, dans son introduction à la Méthode de nomenclature (1787), puis dans celle de son Traité élémentaire de chimie (1789), insistait sur la nécessaire précision du mot :

 

"Toute science physique est nécessairement formée de trois choses : la série des faits qui constituent la science ; les idées qui les rappellent ; les mots qui les expriment. Le mot doit faire naître l'idée ; l'idée doit peindre le fait : ce sont trois empreintes d'un même cachet ; et comme ce sont les mots qui conservent les idées et qui les transmettent, il en résulte qu'on ne peut perfectionner le langage sans perfectionner la science, ni la science sans le langage, et que quelque certains que fussent les faits, quelques justes que fussent les idées qu'ils auraient fait naître, ils ne transmettraient encore que des expressions fausses, si nous n'avions pas des expressions exactes pour les rendre."

 

 

Le mot combustion fait naître une idée : celle d'une bûche qui se consume dans un foyer et qui se réduit à presque rien. Lavoisier propose de le remplacer par le terme oxygénation. Mais les mots ont la vie dure et même les professeurs de chimie continueront longtemps à parler de combustion (comme il continuent, d'ailleurs, à parler d'oxydation pour des réaction ne faisant pas intervenir l'oxygène).

 

Notre mise en scène aura été utile si elle fait comprendre que la combustion du chimiste n'est la combustion ordinaire et qu'il faudra surveiller ce mot à l'avenir. Nous aurons d'ailleurs d'autres occasions de signaler à nos élèves qu'il en est souvent ainsi des mots de la physique et de la chimie, il faut apprendre à les dépouiller de leurs habits de tous les jours.

 

Mais revenons à notre questionnaire et aux autres réponses des élèves.

 

 

Pourquoi de même masse ?

 

 

 

réponse de 17 élèves sur 29, très majoritaire (59%).

 

Keltia : égale parce que la paille de fer a fondu, elle est devenue plus petite mais elle a conservé son poids.

 

Séverine : égale. En effet, toutes les particules se sont regroupées, cela forme une boule très compacte.

 

Delphine : je pense que la masse reste la même mais que c'est le volume qui change.

 

Ici c'est l'observation qui guide l'interprétation. Ce que l'on perçoit, c'est d'abord une fusion et chacun sait que lamasse se conserve dans une telle opération physique. C'est la réponse de 59% des élèves et elle répond à une logique. Pendant des siècles les métallurgistes ont décrit leur art comme celui de la simple fusion des minerais provoquée par le feu et facilitée par les "fondants" qu'on y ajoutait.

 

Pour d'autres élèves, l'interprétation est aussi guidée par un "savoir chimique mal assimilé".

 

Céline : La masse est égale, les proportions se conservent.

 

Frédéric : Egale, rien ne se perd dans une réaction chimique. Rien ne se gagne dans une réaction chimique.

 

La loi des proportions définies, celle dite de Lavoisier (qui ne l'a jamais énoncée), trouvent ici une curieuse application. 

 

Passons à présent à la dernière série de réponses.

 

Pourquoi plus lourd ?

 

 

réponse de 9 élèves sur 29.

 

En septembre, environ un tiers des élèves a répondu "plus lourd". On pourrait se satisfaire de ce résultat si l'analyse des réponses ne révélait quelques surprises.

 

Stéphanie :  plus lourd parce que le fer est devenu plus compact, il a durci.

 

Vincent : plus lourd, la limaille de fer rassemblée en boule est plus lourde que quand elle est dispersée.

 

Natacha : supérieure, parce que la paille de fer est légère mais lorsqu'elle a brûlé toute la paille de fer a fondu sur elle-même, elle pèse doc plus lourd.

 

Thomas : le fer a diminué de volume donc sa masse est supérieure.

 

L'interprétation est ici encore celle d'une simple fusion mais mal analysée. La confusion entre masse et densité est classique : il est difficile d'admettre que le kilogramme de plomb ne "pèse" pas plus lourd que le kilogramme de plumes.

 

Il nous reste cinq élèves qui ont su mobiliser les connaissances acquises au collège pour nous donner une réponse en rapport avec le modèle enseigné.

 

Cynthia : la masse de l'oxyde est plus grande car le fer est associé à un autre corps, le dioxygène.

 

Guillaume : l'oxygène s'est associé avec le fer en lui conférant ainsi sa masse ce qui donne l'oxyde magnétique.

 

En novembre huit élève donneront la réponse attendue. Après un trimestre de cours et un même exercice répété sous différentes formes, le taux de réponses "correctes", avant vérification expérimentale, n'est toujours que de 30%. Même si l'ultime vérification par la balance a probablement fait progresser le score final, cette constatation est propre à convaincre le professeur du fait que l'art d'enseigner est d'abord celui de savoir répéter sans avoir l'air de le faire.

 

Il est remarquable de constater que les résultats de ce questionnaire se confirment d'année en année. Par exemple pour trois années successives.

 

Année

(en novembre)

Moins lourd

Masse égale

Plus "lourd"

(plus dense)

Plus lourd

(combinaison)

1992

1993

1994

4

2

4

8

15

9

7

1

7

10     (34%)

8       (31%)

8      (28%)

 

 

Il est également intéressant d'observer la stabilité des réponses avant et après enseignement : rappelons les résultats de 1993-1994.

 

Mois

Moins lourd

Masse égale

Plus lourd

(plus dense)

Plus lourd (combinaison)

septembre

novembre

3

2

17

15

4

1

5       (17%)

8     (31%)

 

 

Si la proportion de réponse justes passe de 17% à 31%, c'est surtout la persistance d'un taux élevé d'erreurs qui saute aux yeux.

 

A y regarder de plus près, la lecture des phrases d'explication est une véritable révélation dans la mesure où elle indique une étonnante persistance dans les idées. Ceci particulièrement chez les élèves considérant que la masse ne varie pas.

 

Xavier en septembre : égale, la combustion n'allège pas le matière.

Xavier en novembre : égale, la combustion n'allège pas le fer.

 

Frédéric en septembre : égale. Rien ne se perd dans une réaction chimique. Rien ne se gagne dans une réaction chimique.

Frédéric en novembre : égale. Dans une réaction chimique, à une masse, rien n'est ajouté, rien n'est enlevé.

 

Céline, en septembre :  égale parce que la paille de fer est devenue plus compacte mais sa masse n'a pas changé.

Céline, en novembre : égale parce que la paille de fer s'est condensée mais sa masse n'a pas changé.

 

Non seulement les idées se sont conservées mais les mots qui les expriment sont restés les mêmes. Les élèves auteurs de ces réponses sont les premiers étonnés quand on les met en face de ce constat.

 

Une chose est certaine : la notion de combustion n'est pas simple  et il n'y a rien d'étonnant à ce que Lavoisier et les chimistes français qui partageaient ses idées aient dû mener bataille pour faire triompher leurs vues.

 

Nous invitons les lectrices et lecteurs intéressés à lire l'article que nous consacrons au sujet de leur combat contre la théorie du phlogistique.

 

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Dernier test.

 

Après quelques années consacrées à peaufiner et à faire varier ce dialogue entre notre classe et Lavoisier, un doute à commencé à germer dans l'esprit du professeur.

 

La combustion, au sens classique, c'est bien celle du charbon. Il faut un chimiste comme Lavoisier pour considérer que le fer est lui même un "combustible". Un retour aux sources ne serait-il pas nécessaire ?

 

Après avoir "brûlé" du fer et constaté l'augmentation de masse de l'oxyde obtenu. Après avoir nous être efforcés de corriger des intuitions "fausses", revenons à une manipulation classique.

 

Manipulation : Portons au rouge, dans la flamme chauffante d'un bunsen, un point d'un charbon de bois suspendu à un couvercle et plongeons celui-ci dans le dioygène contenu dans un flacon.

 

L'expérience avait déjà été faite dès le premier TP et le gaz carbonique obtenu testé à l'eau de chaux. L'équation de la réaction avait plusieurs fois été utilisée pour déterminer les proportions de la réaction, en particulier pour illustrer la notion de volume molaire des gaz. Il était donc logique, dans ce cas aussi, de proposer un test sous forme d'une question.

 

Question (répondez rapidement par écrit) : le morceau de charbon restant à la fin de la combustion est-il : plus lourd, de masse égale, moins lourd ... qu'il ne l'était au départ.

 

Le test est révélateur : une moitié de la classe se partage entre "moins lourd" et "même masse ou plus lourd" et il faut proposer de refaire l'expérience en pesant pour que les choses se remettent en ordre et que la grande majorité accepte l'idée que la masse a diminué car, cette fois, l'oxyde n'est plus un solide fixé au corps initial mais un gaz qui s'en est échappé.

 

L'expérience réalisée en pesant est d'ailleurs une excellente façon d'aborder la notion de rendement d'une réaction.

 

Qu'en conclure ? Qu'il faut un long cheminement avant de cerner la notion de "combustion". Qu'il faut savoir que le mot est trompeur et qu'il est essentiel de bien en préciser le sens chimique.

 

Et bien d'autres choses livrées à la réflexion de chaque lectrice ou lecteur.

 

Voir aussi : Lavoisier et le phlogistique

 

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Retour à la vie civile.

 

La combustion des déchets ménagers, opération à laquelle on à, aujourd'hui, attribué la dénomination "d'incinération", est un des grands sujets d'actualité. Dans l'esprit de la plupart de nos concitoyennes et concitoyens, pourtant passés sur les bancs de nos écoles et  ayant  subi nos cours de chimie, cette opération est la meilleure façon d'éliminer.

 

Question posée à un public intéressé par le sujet :

 

Question : A partir d'une tonne de déchets ménagers obtient-on : 10 kg, 100 kg, 1 tonne, deux tonnes, quatre tonnes... de produits ultimes ?

 

Question "piège" qui amène généralement une réponse majoritaire pour les 100 kg voire même 10 kg.

 

Il faut alors rappeler à nos concitoyens le bon vieux temps de leur cours de chimie et leur rappeler que leurs déchets étant essentiellement composés de matières organiques, c'est-à-dire de carbone, d'hydrogène et d'azote ils produiront de l'oxyde de carbone 3,67 fois plus lourd que le carbone initial, de la vapeur d'eau 9 fois plus lourde que l'hydrogène du départ et différents oxydes d'azote, le tout s'échappant par les cheminées dans une atmosphère devenue l'ultime poubelle (oublions les dioxines et autres produits du même genre). On peut leur rappeler aussi que le poids du mâchefer qu'il faudra ensuite gérer est supérieur à celui des métaux contenu dans leurs déchets.

 

En gros : en incinérant 1 tonne de déchets, ce sont bien environ quatre tonnes de nouveaux déchets qui viendront alimenter l'effet de serre ou encombrer nos "décharges".

 

C'est peut-être aussi pour ce rappel de notions anciennes fait à d'anciens collégiens et lycéens devenus citoyens adultes, qu'il est bon de bien décortiquer la notion de combustion dans nos cours de collège et de lycée.

 

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Pour comprendre la persistance d'intuitions erronées, on peut lire :

 

Lavoisier et le phlogistique  

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Documents joints :

 

On trouvera les premières fiches de ce travail proposées en 1986 par le lien ci dessous. On notera leur nature manuscrite correspondant à une période sans traitement de texte et sans internet. La photocopieuse elle même était d'usage limité. 

 

Lavoisier au Laboratoire

 

 

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Une copie en 1989

 

 

 

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8 mai 2009 5 08 /05 /mai /2009 05:28

De Galvani à Volta.

La découverte de la pile électrique.

par Gérard Borvon

 

         Qu'est devenue la science électrique à l'orée du 19ème siècle ? Conducteur, isolant, fluides électriques positifs et négatifs, sont devenus des concepts bien établis. Des machines électriques ont été perfectionnées, alimentant des batteries de bouteilles de Leyde. Dans les foires, dans les "cabinets de curiosités", elles ont attiré des foules de badauds. On connaît la nature électrique de la foudre et on sait s'en protéger.

 

Pourtant, après ces premiers succès spectaculaires, l'électricité semble, à nouveau, être venue se réfugier dans le cabinet du médecin. Le seul endroit où elle paraisse utile. Même si la bouteille de Leyde n'a pas répondu aux attentes des paralytiques, un bon "choc électrique" donnera encore l'illusion d'une thérapie efficace.

 

Plus sérieusement cependant, un biologiste curieux peut vouloir comprendre l'influence de l'électricité sur les corps animés et en particulier sur les muscles. Parmi ceux-ci, Galvani.

 

 

Galvani et les grenouilles.

 

         Aloysius Galvani (1737-1798) est professeur d'anatomie à l'université de Bologne. Comme beaucoup de ses confrères physiologistes, il possède une solide formation de chimiste et de physicien. Concernant l'électricité, il y voit l'un des moteurs de la vie animale. Le fluide nerveux ne serait-il pas un fluide électrique ? Galvani, chercheur méthodique, étudie plus généralement les facteurs susceptibles d'exciter les nerfs et de provoquer une contraction musculaire. La grenouille devient dès lors son partenaire principal.

 


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dessin de Laëtitia B. 1ère S du lycée de l’Elorn à Landerneau. Année 1991-92
cliquer sur l’image.


 

         En débarrassant une grenouille fraîchement tuée de sa peau et en sectionnant son arrière-train, on libère facilement les nerfs qui commandent les muscles de ses cuisses (les nerfs cruraux). Ces nerfs peuvent alors faire l'objet de stimulations diverses, mécaniques, thermiques, chimiques... électriques.

 

         Depuis 1772, Galvani fait régulièrement parvenir le résultat de ses recherches à l'Académie de Bologne. Comptes-rendus sages jusqu'à ce soir de l'année 1780 où le hasard se mêle à la partie. Galvani se trouve alors dans son laboratoire où il répète, avec quelques élèves, certaines des expériences sur l'excitation des muscles de grenouille. Une grenouille a été sacrifiée et son arrière-train repose sur la table du laboratoire.

 

A distance respectable, une machine électrique se trouve sur la même table. Un assistant est justement occupé à l'actionner pour des expériences de physique. En ces années 1780, les machines électriques sont déjà puissantes. Celle conçue par Van Marum, physicien hollandais, utilise un disque de verre frotté, associé à de volumineuses bouteilles de Leyde. Elle autorise la production d'étincelles qui prennent la forme de véritables arcs électriques.

 

Revenons à la cuisse de grenouille. N'a-t-elle pas encore été totalement apprêtée ? Toujours est-il qu'un assistant touche, de la pointe de son scalpel, l'extrémité du nerf qui a été dégagé. Au même moment il observe une exceptionnelle contraction des membres de l'animal comme "pris de convulsions tétaniques".

 

Plus que la violence des contractions, les circonstances de leur production sont extraordinaires. Combien de grenouilles n'a-t-on pas déjà disséquées et combien de fois n'a-t-on pas porté le scalpel sur un nerf sans qu'aucun effet notable ne s'en suive ?

 

 

Expérience de Galvani

(Les Merveilles de la Science)

 

Fort heureusement, à distance, se trouve une personne attentive : madame Lucia Galvani. Elle n'est pas dans le laboratoire par hasard, c'est une collaboratrice constante de son mari et elle est rompue aux observations scientifiques. C'est donc elle qui sait voir que, le scalpel touchant le nerf, les contractions n'apparaissent qu'au moment exact où une étincelle éclate à la machine ! Madame Galvani, après plusieurs observations répétées en informe alors son mari :

 

"Emerveillée de la nouveauté du fait, elle vint aussitôt m'en faire part. J'étais alors préoccupé de toute autre chose ; mais pour de semblables recherches, mon zèle est sans bornes, et je voulus répéter par moi-même l'expérience et mettre au jour ce qu'elle pouvait présenter d'obscur. J'approchais donc moi-même la pointe de mon scalpel tantôt de l'un, tantôt de l'autre des nerfs cruraux, tandis que l'une des personnes présentes tirait des étincelles de la machine. Le phénomène se produisit exactement de la même manière : au moment même où l'étincelle jaillissait, des contractions violentes se manifestaient dans chacun des muscles de la jambe, absolument comme si ma grenouille préparée avait été prise de tétanos". (mémoire en latin adressé en 1790 à l'académie de Bologne - traduction par Louis Figuier - Merveilles de la Science - tome I -  page 604).

 

L'histoire devient rapidement légende. Dans l'une des versions les plus répandues, madame Galvani est réduite au rôle d'une brave ménagère venue apporter un bouillon de cuisses de grenouilles à son mari enrhumé. Le siècle admet difficilement que des femmes, Madame Lavoisier ou Madame Galvani, puissent avoir joué un quelconque rôle dans le domaine des sciences. Louis Figuier, remarquable vulgarisateur de la fin du 19ème siècle, rapporte que, déjà étant élève de terminale de son lycée, il avait relevé, dans les manuels en usage, 21 versions différentes de cette histoire. Même Alibert dans son "éloge historique de Galvani"   et Arago, dans son "éloge historique de Volta" n'échapperont pas à la mode.

 

 

Il serait certainement amusant de rechercher les nouvelles fantaisies dont la liste aurait pu s'enrichir dans le siècle qui a suivi.

 



La légende de Mme Galvani.(Laëtitia B).


 

Emerveillé lui-même, Galvani consacrera six longues années à étudier le phénomène. Deux éléments entrent en jeu dans l'excitation du nerf : l'étincelle électrique et le corps étranger touchant l'extrémité du nerf.

 

Les premières expériences portent sur le corps étranger. Après avoir multiplié les tests, Galvani constate qu'il doit simplement être conducteur. On ne s'étonnera pas de ce résultat aujourd'hui où nos toits sont hérissés d'antennes conductrices, captant et transformant en courants électriques les ondes électromagnétiques diffusées à distances par des émetteurs divers (ce rôle étant joué ici par la machine produisant des étincelles, le scalpel tenant lieu d'antenne).

 

La seconde série d'expériences porte sur la nature de l'étincelle. Qu'elle soit issue d'une machine ou d'une bouteille de Leyde. Qu'elle soit extraite d'un corps chargé positivement ou négativement, le résultat est le même.

 

Poussant sa recherche jusqu'à l'extrême, Galvani imagine de ne pas cantonner son observation à la modeste étincelle produite par une machine mais, à l'image de Franklin, de tester la foudre. Galvani fait élever une pointe de fer au-dessus de sa maison, un fil métallique partant de cette tige est amené dans son laboratoire jusqu'au crochet soutenant l'arrière train d'une grenouille. Galvani sait-il qu'en 1753, un tel montage a foudroyé le physicien Richmann ? On peut le penser, mais la curiosité scientifique fait bien souvent oublier la prudence. La tentative en valait d'ailleurs la peine car le succès est au rendez-vous. Quand un orage approche, la chute, à distance, d'un éclair, même modeste, provoque la contraction du muscle de grenouille.

 

Il semble, même, que de faibles variations de l'état électrique de l'atmosphère puisse avoir de l'influence. Pour s'en assurer Galvani se propose un montage simple : il consiste à suspendre, par un crochet (qui se trouve être de cuivre), une cuisse de grenouille à la balustrade de fer de son logement. Le 20 septembre 1786, le ciel est résolument bleu et rien ne se passe. Pourtant, dans la vie de Galvani, tout bascule.

 

 

 

Galvani teste l'électricité atmosphérique.

(Les Merveilles de la Science)

 

Lassé d'observations sans succès et prêt à renoncer, Galvani frotte le cuivre du crochet contre le fer du balcon, dans le but, semble-t-il, de rendre le contact plus efficace. Aussitôt les pattes de la grenouille se contractent. Il en est ainsi à l'occasion de chaque nouveau contact. Le phénomène se reproduit également dans le laboratoire avec une plaque de fer et un crochet de cuivre bien décapés.

 

Sur le balcon de Galvani. (Laëtitia B).

 

Aucun besoin d'une machine électrique, inutile d'attendre un éclair d'orage ! L'électricité responsable de la contraction peut donc également ne résulter que d'une cause interne au montage utilisé. Une cuisse de grenouille, un crochet de cuivre, une plaque de fer se suffisent à eux mêmes !

 

Pour Galvani, physiologiste à la recherche de la nature de l'influx neveux, le doute n'est pas permis. Seul le muscle de la grenouille est capable de produire cette électricité. L'expérimentateur s'est contenté de découvrir le dispositif le plus favorable à sa circulation. Et ce dispositif est simple : il suffit de constituer un arc conducteur entre le nerf et l'extérieur du muscle. Le fer et le cuivre, pense Galvani, n'ont pas d'autre rôle que celui de fermer le circuit. Un simple et unique fil métallique semble d'ailleurs convenir même si son efficacité est très faible. Le meilleur résultat, cependant, demande un montage complexe : il faut entourer l'extrémité du nerf d'une feuille d'étain, les muscles d'une feuille d'argent et relier ces métaux par un fil de cuivre. Nous le savons aujourd'hui, Galvani réalise ainsi une superbe "pile" du type de celle qui nous agace quand nous touchons l'or d'une couronne dentaire avec la pointe d'une fourchette d'acier.

 

Mais Galvani suit son idée et ne cherche pas à tirer parti de l'observation qu'il fait de la meilleure efficacité d'une chaîne de métaux différents. Le muscle et le nerf, seuls, l'intéressent et l'interprétation lui semble évidente : le muscle est une "bouteille de Leyde" dont le nerf serait en relation avec l'armature interne et dont la surface serait l'armature externe. "Il y a une telle identité apparente de causes, dit-il, entre la décharge de la bouteille de Leyde et nos contractions musculaires, que je ne puis détourner mon esprit de cette hypothèse". Le "muscle - bouteille de Leyde", se chargerait par un processus biologique pour se décharger brutalement après l'établissement d'un circuit conducteur externe. Ce courant de décharge étant à l'origine de la contraction musculaire.

 

L'idée d'une électricité d'origine biologique n'est pas nouvelle. Dès la découverte de la bouteille de Leyde, plusieurs physiciens, dont Musschenbroek lui-même, en avaient comparé les effets à ceux de la "Torpille". Depuis l'Antiquité on connaît ce poisson particulier de la famille des raies et dont le contact produit, sur ses victimes, un choc suivi d'une étrange "torpeur". On sait aujourd'hui que, même si les tensions mises en jeu sont inférieures aux dizaines de milliers de volts de la bouteille de Leyde, elles sont cependant de l'ordre de 500 volts. Tension suffisante pour secouer un homme adulte et pour assommer le menu fretin d'une pêche électrique  garantie "biologique".

 

L'idée d'un "muscle - bouteille de Leyde" n'est pas, non plus, totalement fausse. On sait aujourd'hui qu'il existe bien une différence de potentiel entre l'intérieur et l'extérieur d'un muscle au repos. Mais elle est, au plus de quelques dizaines de millivolts et ne peut procurer les contractions observées.

 

Galvani fait connaître l'ensemble de ses travaux dans les "Mémoires de l'Académie de Bologne" publiés en l'année 1791. A cette occasion il énonce l'hypothèse d'une "électricité animale" responsable des phénomènes vitaux. La théorie est séduisante. Elle rencontre l'adhésion des physiologistes qui, déjà, soupçonnent l'importance des phénomènes électriques dans le fonctionnement des organismes animaux. Elle fait le bonheur des médecins qui imaginent pouvoir justifier, avec plus de force, la présence de machines électriques dans leur cabinet. Peut-être, un jour, l'électricité fera-t-elle réellement marcher des paralytiques, peut-être soulagera-t-elle un cœur fatigué, peut-être rendra-t-elle l'audition aux sourds et la vue aux aveugles ?

 

L'hypothèse se heurte, aussi,  à de solides oppositions. Surtout de la part des physiciens. Dans le couple "métal/muscle", leur spécialité les amène à privilégier les métaux plutôt que les tissus vivants.

 

Parmi ceux-ci, un confrère italien de Galvani : Alexandre Volta (1745-1827).

 

Volta et la pile électrique.

 

         Volta est un professeur de physique qui enseigne d'abord à Côme puis à Pavie. C'est un scientifique "voyageur". On le trouve en Suisse où il rencontre Voltaire, en hollande où Van Marum lui présente sa célèbre "machine électrique", en Angleterre où il est reçu par Priestley, à Paris où il travaille avec Lavoisier.

 

Il est aussi l'auteur d'une abondante correspondance académique qui lui vaut un succès d'estime dès ses premiers travaux. Son "pistolet électrique" est particulièrement célèbre. Conçu vers 1777, il est constitué d'un tube traversé par deux électrodes et fermé par un bouchon à l'intérieur duquel on emprisonne un mélange d'air "inflammable" (hydrogène) et d'air "vital" (oxygène). Quand une étincelle est provoquée entre les deux électrodes, une explosion se produit qui expulse le bouchon avec violence. Plus tard ce dispositif prendra la forme plus sage d'un "eudiomètre" permettant la mesure des volumes gazeux intervenant dans ces réactions explosives. Volta l'utilisera ainsi pour étudier la combustion du "gaz des marais", c'est à dire du méthane recueilli dans le fond vaseux des marécages.

 

Volta, comme tous ses confrères européens, est fasciné par les observations de Galvani et son hypothèse de l'électricité animale. Après vérification, il adopte dans un premier temps les vues de son collègue de Bologne. Pourtant, rapidement, sa formation de physicien reprend le dessus. Là où Galvani voyait de "l'électricité animale", il trouvera de "l'électricité métallique. "Lorsque deux métaux sont en contact l'un avec l'autre, par suite de ce contact, par l'effet de cette hétérogénéité de nature, il y a développement d'électricité", estime-t-il.

 

Nous ne donnerons pas ici le détail de la lutte acharnée entre Galvani, Volta et leurs disciples respectifs. Si Volta vérifie la production d'électricité métallique en testant la série la plus étendue possible de couples métalliques, Galvani lui répond en obtenant la contraction d'une cuisse de grenouille tout simplement en recourbant le nerf et en l'appliquant sur la partie externe du muscle. Aucun besoin d'un métal : match nul !

 

Pourtant la victoire finira par tomber de façon éclatante dans le camp de Volta le jour où il imaginera la "pile" qui le rendra célèbre.

 

Mais avant d'aller plus loin, évoquons deux "inventions" de l'habile expérimentateur qu'est Volta. D'abord l'électromètre à brin de paille : deux brins de pailles sont suspendus ensemble dans un flacon bien sec à une tige conductrice. Celle-ci traverse le bouchon et supporte un plateau métallique. Quand on touche le plateau d'un corps chargé d'électricité, les deux pailles s'écartent. Amélioré, ce montage, déjà très sensible, deviendra électromètre à feuilles d'or.

 

Citons ensuite l'électrophore qui deviendra "condensateur", nom attribué par Volta à deux disques de laiton soigneusement poli et recouverts d'un vernis isolant, placés l'un sur l'autre, face isolante en regard. Sans entrer dans le détail de son fonctionnement, disons que le "condensateur" permet de charger plusieurs fois de suite l'un de ses plateaux par l'action à distance d'un corps électrisé sans avoir à décharger celui-ci. Associé à un électroscope, il permet de multiplier et donc de mieux observer les effets d'une infime charge électrique.

 

Muni de ces deux appareils, Volta est donc bien armé pour explorer le délicat mécanisme mis en jeu dans l'expérience de Galvani. C'est ainsi qu'il affirme constater que deux métaux différents, mis simplement en contact, se trouvent chargés l'un négativement, l'autre positivement, quand on les sépare.

 

Explication ? Volta imagine que les métaux sont non seulement conducteurs du fluide électrique mais encore "moteurs" de ce fluide. Ce fluide est, pour Volta, le fluide unique de Franklin. Pour le faire circuler, inutile de s'encombrer d'une machine : le simple contact entre deux métaux différents suffit à le faire passer de l'un à l'autre. Tous les couples n'ont d'ailleurs pas la même efficacité. Parmi ceux testés par Volta le couple Argent/Zinc lui semble le plus efficace. Quand on associe ces deux métaux le fluide électrique "passe de l'Argent au Zinc"  de telle sorte qu'une "tension électrique" positive se crée dans le zinc pendant qu'une "tension" négative apparaît dans l'argent.

 

Une "tension " : un mot nouveau vient enrichir le vocabulaire électrique en même temps que le terme de "électromoteur", par lequel Volta désigne le couple des deux métaux siège d'une "force électromotrice".

 

Les choses se passent-elles vraiment si simplement ? En réalité, pour observer les tensions positives ou négatives des métaux de ses couples, Volta est bien souvent obligé d'user d'un artifice : une rondelle de carton ou de feutre humide entre le métal et la plaque de cuivre de l'électroscope.

 

Ce simple conducteur n'influe en rien sur le phénomène, affirme Volta, mais a uniquement pour rôle de renforcer le contact électrique.

 

L'usage de ce "conducteur" humide permet aussi d'associer en série plusieurs couples métalliques en intercalant une rondelle imbibée de liquide entre deux couples successifs. Avec 2,3 ou 4 couples ont augmente les tensions entre les métaux extrêmes dans les mêmes proportions. Et pourquoi s'arrêter à quatre ?

 

Posez, dit Volta, une pièce d'argent sur une pièce de zinc, puis une rondelle de carton ou de feutre humide sur le zinc et poursuivez par couches successives jusqu'à vingt ou plus de couples. Vous obtenez ainsi une "colonne" formée d'éléments empilés. Une "pile" dira-t-on bientôt.

 


La "pile" de Volta. (Laëtitia B).

 

Si cette colonne, nous dit Volta, "parvient à contenir environ vingt de ces étages ou couples de métaux, elle sera déjà capable, non seulement de faire donner des signes à l'électromètre de Cavallo, aidé du condensateur au-delà de dix ou quinze degrés, de charger ce condensateur au point de lui faire donner une étincelle, mais aussi de frapper les doigts avec lesquels on vient toucher ses deux extrémités."

 

C'est par une lettre adressée le 20 mars 1800 à Joseph Banks, président de la Royal Society de Londres, que Volta fait part au monde des électriciens de la naissance de ce nouvel enfant de la science électrique. Dès les premiers mots Volta soigne sa mise en scène :

 

La pile de Volta

(Les Merveilles de la Science, y lire aussi la lettre de Volta)

 

" Après un long silence dont je ne chercherai pas à m'excuser, j'ai le plaisir de vous communiquer, Monsieur, et par votre moyen à la société royale, quelques résultats frappants auxquels je suis arrivé en poursuivant mes recherches sur l'électricité excitée par le simple contact des métaux de différentes espèces...

 

Le principal de ces résultats, et qui comprend à peu près tous les autres, est la construction d'un appareil qui ressemble par ses effets (c'est-à-dire pour les commotions qu'il est capable de faire éprouver dans les bras", etc.) aux bouteilles de Leyde, et mieux encore aux batteries électriques faiblement chargées, qui agiraient cependant sans cesse, et dont la charge, après chaque explosion, se rétablirait d'elle-même ; qui jouirait en un mot dune charge indéfectible, d'une action sur le fluide électrique , ou impulsion, perpétuelle...

 

Oui, l'appareil dont je vous parle, et qui vous étonnera sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de différentes espèces, arrangés d'une certaine manière. Vingt, quarante, soixante pièces de cuivre, ou mieux d'argent, appliquées chacune à une pièce d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc et un nombre égal de couches  d'eau ou de quelque autre humeur qui soit meilleur conducteur que l'eau simple, comme l'eau salée, la lessive, etc. ; ou des morceaux de carton, de peau, etc., bien imbibés de ces humeurs... "

 

Suit une description précise de l'appareil et de ses effets. L'empilement peut d'ailleurs être plus commodément remplacé par un autre dispositif comme le propose Volta lui-même dans ce qu'il nomme un "appareil à couronne de tasses". Nous présenterons, dans un prochain chapitre, quelques dispositifs de ce type. Cependant, le succès du mot "pile" est tel qu'il se maintiendra dans le vocabulaire électrique jusqu'à nos jours même si une "pile alcaline", une "pile à combustible" ou une "pile photovoltaïque" sont bien loin de correspondre à un quelconque empilement !

 

La lettre de volta est lue devant les membres de la Royal Society le 26 juin mais dès le mois d'avril son contenu était connu des membres de la société. On imagine facilement la perplexité des savants réunis et l'agitation de leurs laboratoires dans les jours qui ont suivi. Dès le mois de Juillet, le "Journal philosophique de Nicholson" publiait à la fois la lettre de Volta et le récit d'une multitude d'expériences aussitôt exécutées par ceux qui en avaient été informés.

 

En France, l'Académie des Sciences, institution royale, a été remplacée par l'Institut National des Sciences. Volta est invité à y présenter son mémoire  en public. Cette lecture occupe trois séances consécutives les 16, 18 et 20 brumaires de l'an IX (Novembre 1800). Après chaque séance, Volta exécute les expériences décrites dans son mémoire. La seconde séance, à laquelle assiste Bonaparte provoque chez celui-ci un profond sentiment d'admiration pour le savant italien qu'il conservera toute sa vie. Au moyen d'une pile de quarante quatre couples, Volta produit de fortes commotions mais aussi des étincelles, la combustion d'un fil de fer et même la décomposition de l'eau.

 

Il fait également réaliser l'expérience du pistolet électrique, parfaitement adaptée au célèbre militaire auquel il s'adresse. Deux électrodes traversent la paroi d'une éprouvette à gaz, de la forme d'un pistolet, renfermant un mélange "tonnant" d'hydrogène et d'oxygène dans les proportions déterminées par Lavoisier. L'étincelle provoquant l'explosion, habituellement générée par une machine à friction, comme celle de Van Marum qui équipait le laboratoire de Lavoisier, est cette fois déclanchée par la pile. Le bruit de l'explosion et la violence avec laquelle fut expulsé le bouchon fermant le "pistolet" réveillèrent un auditoire qui n'était pas nécessairement uniquement composé de "savants".

 

Les appareils de Volta (Revue "La Nature", 1881)

 

La séance étant finie, Bonaparte, lui-même membre de l'Institut, propose de décerner à Volta une médaille d'or qui "servirait de monument" et marquerait l'époque de sa découverte. Il demande également qu'une commission soit nommée pour répéter toutes les expériences présentées par Volta. Parmi les membres de cette commission le "citoyen Coulomb" aura ainsi la chance de voir s'ouvrir une nouvelle branche de la science électrique au moment ou se termine sa propre carrière.

 

Le rapport de la commission est lu par Biot à la séance du 11 frimaire an IX (décembre 1800). L'exposé utilise, en particulier, les notions de "tension" et de "force électromotrice" introduites par Volta et qui survivront dans le vocabulaire électrique. Conformément au vœu de Bonaparte une médaille d'or de l'Institut est attribuée au savant italien ainsi qu'une somme de 6000 francs pour ses "frais de route".

 

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Bonaparte enthousiaste. (Laëtitia B.) cliquer sur l’image.

 

Bonaparte, conscient de l'avenir de cette nouvelle science, souhaite accélérer son développement. Le 26 prairial an X (juin 1801), il adresse d'Italie à Chaptal, alors ministre de l'intérieur, une lettre dans laquelle il demande à l'Institut de créer un prix de 3000 francs "pour la meilleure expérience qui sera faite dans le cours de chaque année sur le fluide galvanique" ainsi qu'un prix de 60 000 francs "à celui qui, par ses expériences et ses découvertes, fera faire à l'électricité et au galvanisme un pas comparable à celui qu'on fait faire à ces sciences Franklin et Volta".

 

Napoléon, précise : "Les étrangers de toutes les nations seront également admis au concours".

 

Quelques dizaines de rondelles d'argent ou de cuivre, autant de rondelles de zinc, de carton ou de feutre, de l'eau, (de préférence acidulée), suffisent pour entrer dans ce nouveau monde encore jamais exploré du "courant continu" avec la certitude d'en rapporter quelques brillantes pépites..

 

C'est d'Angleterre que partiront les premiers aventuriers.

 

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Voir aussi : La pile électrique, toute une histoire, par Hélène Bernicot.

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru chez Vuibert en juin 2009.

 

 

 

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Une vidéo du site Ampère-CNRS

 

 

 

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4 mai 2009 1 04 /05 /mai /2009 08:50

André-François Boureau Deslandes (1690-1757)

par Gérard Borvon


Né à Pondichéry en 1690, il vient en France à l'âge de 13 ans. En octobre 1708 il est nommé contrôleur de la marine à Brest puis commissaire de la marine en 1716.


Il est souvent qualifié de "philosophe mondain". En témoignent plusieurs des titres des nombreux ouvrages qu'il publie : L'apothéose de beau sexe, Réflexions des Grands Hommes qui sont morts en plaisantant, L'Art de ne point s'ennuyer... 


Nous retiendrons ici le scientifique, reçu élève géomètre à l'Académie des sciences en février 1712, membre de l'Académie des sciences de Berlin et auteur de plusieurs ouvrages scientifiques, en particulier sur la marine.


Parmi une oeuvre considérable, c'est souvent par une modique contribution à l'observation du tonnerre, qu'il se retrouve dans différentes études. 



La foudre a toujours terrorisé ou fasciné. Dans les religions antiques elle est le symbole de la puissance des dieux et l'instrument effrayant de leur justice. La tradition se maintient dans les cultes plus récents. Au siècle des lumières encore, on se préserve de la foudre en faisant sonner les cloches aux clochers des églises.


En témoigne la relation publiée dans l'Histoire de l'Académie des Sciences (Mémoires étrangers).


Nous sommes en avril de l'année 1718. A.F Boureau Deslandes est alors à Brest.  Après plusieurs jours de pluie et d'orage, un coup de tonnerre extraordinaire ébranle toute la région. Il en rend compte à l'Académie des sciences qui publie un résumé de sa lettre.


"...enfin vint cette nuit du 14 au 15 qui se passa presque toute en éclairs très vifs, très fréquents et presque sans intervalle. Des matelots qui étaient partis de Landerneau dans une petite barque, éblouis par ces feux continuels, et ne pouvant plus gouverner, se laissèrent aller au hasard sur un point de la côte, qui par bonheur se trouva saine. A quatre heures du matin, il fit trois coups de tonnerre si horribles que les plus hardis frémirent.

         Environ à cette même heure, et dans l'espace de côte qui s'étend depuis Landerneau jusqu'à Saint Paul de Léon, le tonnerre tomba sur 24 églises et précisément sur des églises où on sonnait pour l'écarter. Des églises voisines où on ne sonnait point furent épargnées.

Le peuple s'en prenait à ce que ce jour là était celui du Vendredi Saint où il n'est pas permis de sonner. Mr Deslandes en conclut que les cloches qui peuvent écarter un tonnerre éloigné, facilitent la chute de celui qui est proche, et à peu près vertical, parce que l'ébranlement qu'elles communiquent à l'air dispose la nue à s'ouvrir.

         Il eut la curiosité d'aller à Gouesnou, village à une lieue et demie de Brest, dont l'église avait été entièrement détruite par ce même tonnerre. On avait vu trois globes de feu de trois pieds et demi de diamètre chacun, qui s'étant réunis avaient pris leur route vers l'église d'un cours très rapide. Ce gros tourbillon de flamme la perça à deux pieds au-dessus du rez de chaussée, sans casser les vitres d'une grande fenêtre peu éloignée, tua dans l'instant deux personnes de quatre qui sonnaient, et fit sauter les murailles et le toit de l'église comme aurait fait une mine, de sorte que les pierres étaient semées confusément alentour, quelques-unes lancées à 26 toises, d'autres enfoncées en terre de plus de deux pieds.

         Des deux hommes qui sonnaient dans ce moment là, et qui ne furent pas tués sur le champ, il en restait un que Monsieur Deslandes vit. Il avait encore l'air tout égaré, et ne pouvait parler sans frémir de tout son corps. On l'avait retrouvé plus de quatre heures après enseveli sous les ruines et sans connaissance. Mr Deslandes n'en put tirer autre chose sinon qu'il avait vu tout d'un coup l'église toute en feu et qu'elle tomba en même temps. Son compagnon de fortune avait survécu 7 jours à l'accident, sans avoir aucune contusion, et sans se plaindre d'aucun mal que d'une soif ardente qu'il ne pouvait éteindre."


         Chacun se fait de la Foudre une image adaptée à sa culture. L'homme du peuple ne peut douter qu'il s'agisse d'une manifestation divine. Le lettré imagine une accumulation dans les nuages de matières inflammables. On notera, cependant, que l'utilité de sonner les cloches, malgré la preuve évidente du danger, n'est absolument pas mise en doute. Ni par la population qui explique l'échec par le sacrilège commis un Vendredi Saint. Ni par le "savant" qui continue à considérer qu'un tonnerre éloigné aurait été écarté par les cloches.


Jusqu'à la fin du siècle, malgré les vigoureuses campagnes des autorités et l'interdiction régulièrement rappelée de sonner les cloches les jours d'orage, la pratique se poursuivra accompagnée de son cortège d'accidents.

 

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Le Coup de Tonnerre de 1718 à Landerneau

 raconté par M.Deslandes.

 

 

 

 

Voir : Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1719 -


diverses observations de physique générale. p20  link

 

dans :

http://www.academie-sciences.fr/archives/doc_anciens/hmvol3521.htm#TABLE2

 

 


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3 mai 2009 7 03 /05 /mai /2009 09:48

Les Savants et la révolution en Bretagne.

par Gérard Borvon


"Les savants bretons durant la révolution" est le titre d'une exposition réalisée par le Centre de Culture Scientifique, Technique et Industrielle (CCSTI) dont le siège est à Rennes.


Cette exposition réalisée en 1989, dans le cadre de la commémoration du bicentenaire de la Révolution, avait pour but d'offrir au public la possibilité de découvrir les personnalités de savants de leur région en cette fin de 18ème siècle. Elle apportait une dimension régionale à l'exposition réalisée sur le même thème par la Cité des Sciences et de l'industrie.


Tous ne sont pas des "savants de la révolution". Certains étaient trop jeunes, d'autres déjà décédés. Plusieurs ont réellement été actifs pendant cette période. C'est d'abord toute une époque qui est ainsi décrite.

 

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Les savants bretons mis à l'honneur.


Extraits du catalogue de l'exposition.


François Broussais (1772-1838) : Chirurgien breton né à Saint-Malo. Il a donné son nom à un grand hôpital parisien et à plusieurs hôpitaux provinciaux. Broussais, avant de devenir "l'empereur de la médecine" est étudiant à Dinan, chirurgien sous-aide dans les hôpitaux de la marine à Saint-Malo puis à Brest. Salué de son temps comme l'inventeur de la médecine physiologique, il ne voit partout qu'inflammation que seule la saignée par les sangsues peut guérir.


René-Théophile Laennec (1781-1826) : Né à Quimper, il étudie à l'école de médecine de Nantes avec l'appui de son oncle. Il invente le stéthoscope et publie le "traité d'auscultation médiate" qui fait sensation dans le monde savant. Un grand hôpital parisien spécialisé en en pneumologie porte son nom.


René Desfontaines (1750-1833) : Botaniste, né à Tremblay en Ille et Vilaine, il est professeur au Jardin du Roi qui deviendra plus tard Muséum d'Histoire Naturelle. Membre de l'Académie des Sciences, il publie "Flora Atlantica", un ouvrage sur la flore de l'Afrique du Nord et un mémoire sur les monocotylédones où il souligne le lien entre la structure de la graine et le mode de croissance des plantes.


François Roulin (1796-1874) : Né à Rennes, naturaliste et explorateur, bibliothécaire de l'Institut de France.


Pierre-Jean Robiquet (1780-1840) : Né à Rennes, chimiste et pharmacien il découvre des drogues d'origine végétale : narcotine et codéïne dans l'opium et l'asparagine dans l'asperge.


Jacques Binet (1786-1856) : Né à Rennes, mathématicien et astronome, il est l'auteur des célèbres formules de Binet, professeur de mécanique à Polytechnique et d'astronomie au Collège de France.


Alexandre Moreau de Jonnès (1778-1870) : Né près de Saint-Malo, naturaliste et statisticien. Il dirige la statistique générale de France.


Jean-Marie Constant Duhamel (1797-1872) :Né à Saint-Malo, mathématicien. Il est directeur des études à l'Ecole Polytechnique.

 

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Quatre Savants de Basse Bretagne


La "Basse-Bretagne" est cette partie bretonnante le la Bretagne qui recouvre le Finistère et l'Ouest des Côtes d'Armor et du Morbihan. Quatre savants de cette partie du territoire figuraient dans l'exposition.


S'ils sont ainsi désignés à part, ce n'est pas que l'auteur de cet article leur attribue une particulière importance, mais que, étant l'auteur d'une des présentations (celle des frères Mazéas), il a été amené à donner une conférence au sujet de ces quatre savants au cours d'un passage de l'exposition à Landerneau.


Ci-dessous, l'essentiel de cette conférence.

 

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Qu'entend-on par "Savants bretons".


Ce sont des hommes nés en Bretagne qui ont fait une partie de leurs études en Bretagne mais qui n'ont pas nécessairement exercé leur activité pendant toute leur vie en Bretagne. Comme pour leurs compatriotes des autres régions, il y a souvent eu un "passage obligé" par Paris. Sur la vingtaine de savants présentés par la Cité des Sciences, trois uniquement sont nés à Paris : Lavoisier, Fourcroy et Bailly. Comme aujourd'hui la science était affaire de provinciaux "montés à Paris".


Cela montre au moins qu'on pouvait acquérir dans les "Provinces" une culture scientifique de base. Il faut reconnaître que, très tôt, Paris a su créer des institutions pour former et retenir une élite scientifique. L'Université de Paris comporte plusieurs collèges qui donnent une grande importance à l'enseignement des sciences, Parmi eux le Collège de Navarre est l'un des plus célèbres.


Il existe également plusieurs écoles qui préparent aux carrières militaires et dont l'enseignement comporte de plus en plus de sciences. Surtout il faut citer l'Académie des Sciences créée en 1666 et qui rassemble l'élite de ce que l'ont peut appeler les premiers scientifiques professionnels.


Pour autant, les Provinces ne sont pas un désert culturel, bien au contraire. D'abord, à un niveau élémentaire, les collèges, en particulier ceux des jésuites, s'intéressent souvent aux sciences. Dans les villes de garnison on trouve des écoles militaires et parfois aussi des Académies qui ont souvent une production de haut niveau capable de rivaliser avec celle de la capitale.


La Bretagne répond à ce schéma.


Pour nous en tenir au Finistère, on trouve des écoles de jésuites, en particulier à Quimper, qui forment surtout des ecclésiastiques et des notaires mais qui doivent aussi former des marins pour la pêche ou le commerce et qui délivrent donc un début d'enseignement maritime.


C'est surtout à Brest qu'on trouve le plus grand nombre d'écoles à caractère scientifique et technique.


La population de lettrés y est déjà importante, constituée de militaires et de commis aux écritures venus de toutes les régions de France. Leurs enfants trouvent sur place :


-         Une école de Dessin.

-         Une école d'hydrographie et de pilotage.

-         Une école de constructions navales.


Toutes ces écoles ont un programme de sciences et de mathématiques de bon niveau.


Pour couronner l'édifice, il faut dire que Brest dispose depuis 1752 d'une Académie de Marine qui joue un rôle notable dans la recherche appliquée. En particulier en constructions navales, en astronomie, en chirurgie. Et qui, surtout, se teint en relation avec le monde scientifique européen.


Aujourd'hui encore, les archives de la bibliothèque de la marine sont une mine pour qui s'intéresse à l'histoire des sciences. On y trouve les publications des académies des sciences de Paris et de Provinces, mais aussi celles de Londres, de Berlin, de Bologne, Saint Petersburg, Turin, Stockholm, Lausanne,  Bruxelles.

 

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Quatre savants finistériens.


Quatre finistériens illustrent assez bien les différents aspects du "scientifique" tel qu'il apparaît au 18ème siècle.


La mécanique, la Physique, la Chimie, ne sont plus simplement une des branches de la philosophie. Les sciences se sont structurées pour prendre l'aspect que nous leur connaissons aujourd'hui. Sont apparus les scientifiques professionnels : chercheurs, professeurs, ingénieurs. Les quatre finistériens illustrent cette réalité.

 

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Alexis-Marie Rochon (1741-1818)


Il naît à Brest le 21 février 1741. Son père est major, c'est-à-dire administrateur militaire, de la ville et du château. Son frère ainé est engagé dans une carrière militaire qu'il finira comme général. On le destine à la carrière ecclésiastique, il est nommé abbé mais ne prononce pas ses vœux car il préfère les sciences.


On n'a pas de détails sur la façon dont il mène ses études mais on sait que sa carrière publique commence à l'âge de 25 avec quatre mémoires qu'il présente à l'Académie des Sciences concernant les instruments optiques et la navigation. A cette époque où le commerce lointain se développe, on a grand besoin d'astronomes et de navigateurs habiles.


L'année suivante, en 1767, on lui propose un embarquement comme astronome sur le navire l'Union qui part pour le Maroc. C'est en quelque sorte un stage pratique.


C'est le voyage qu'il effectue en 1768 qui décide de la suite de sa carrière. L'Ile de France, qui est aujourd'hui l'Ile Maurice, avait été prise aux hollandais depuis un demi siècle. Sur le plan stratégique cette île était un maillon important sur la route des Indes et des épices mais deux problèmes restaient à résoudre.


D'abord un problème de cartographie : les hollandais qui étaient les meilleurs cartographes de marine de l'époque, avaient volontairement falsifié les cartes de cette région afin de décourager la concurrence. Il fallait donc lever des cartes précises.


D'autre part l'administrateur de l'île, qui avait un nom prédestiné puisqu'il s'appelait Poivre,, souhaitait développer la culture des épices sur l'île même et non pas se contenter de les importer. Il fallait donc trouver des plans sur les îles voisines, ce qui était une entreprise périlleuse car les hollandais allaient jusqu'à menacer de peine de mort ceux qui chercheraient à les expédier.


Rochon embarque sur la flute La Normande à partir du port de Port-Louis dans le Morbihan. Sa mission est de corriger les cartes sur la route qui le mène de Port-Louis à l'Ile Maurice. Sur place il effectue de relevés autour de l'île et sur la route de l'Inde puis il visite Madagascar qu'il cartographie et dont il rapporte des plantes utiles à l'Ile Maurice. Au cours de ce voyage, il trouve de très beaux cristaux de quartz qui, nous le verrons, lui seront très utiles par la suite.


Il revient en France en 1770. Sur le chemin du retour il sauve son navire du naufrage grâce aux relevés qu'il a faits à l'aller. Ce qui, naturellement, améliore sa réputation.


En 1771 il se voit à nouveau confier une mission de cartographie autour de l'Ile de France. Cette fois le capitaine du navire est un autre breton devenu célèbre car il s'agit de Kerguelen.


Il faut dire tout de suite que les choses se passent mal entre l'abbé et le capitaine. Kerguelen est en effet un personnage haut en couleurs. C'est avant tout un capitaine corsaire qui est efficac e en temps de guerre mais dont les méthodes de commandement sont discutées. Ses officiers sont même amenés à porter plainte contre lui pour avoir embarqué clandestinement une , ou des, demoiselles dont la présence à bord avait compromis l'expédition. Cet épisode lui vaudra quelques mois de prison.


Quand le bateau arrive à l'Ile de France, Kerguelen et Rochon se sont si bien disputés que Rochon reste à terre et que Kerguelen poursuit seul. Une occasion manquée pour Rochon car Kerguelen, après avoir rempli sa mission sur la route des Indes, pique ensuite vers le sud et découvre les îles qui portent aujourd'hui son nom.


Rochon revient en France en 1773 et il y poursuit son travail d'astronome et d'opticien mais cette fois sur un plan théorique. Il a le poste de bibliothécaire de l'Académie de Marine et de conservateur  des instruments de mesure de la marine et est bien rémunéré pour ce travail.


C'est en 1777 qu'il fait une découverte qui établira sa réputation. En observant les quartz qu'il avait ramenés de Madagascar, il observe que ceux-ci présentent un phénomène déjà connu sous le terme de double réfraction. C'est un phénomène optique qui fait que les images observées à travers de tels corps se dédoublent. Contrairement au spath d'Islande qui présente aussi le phénomène, le quartz est assez dur pour être utilisé en optique. Rochon a l'idée d'utiliser cette propriété pour fabriquer des télémètres. A l'usage, ses appareils se révèlent d'une extrordinaire précision. Napoléon qui aura l'occasion de les utiliser plus tard se montrera enthousiaste et en équipera tout son état-major.


En 1789 Rochon a 48 ans. Il est assez utile pour qu'on le ménage et c'est par ailleurs un membre de la bourgeoisie qui a tout à gagner à la révolution qu'il soutient donc. Ce qui n'empêchera pas Marat de le considérer comme un "paysan parvenu" qui "n'inventera jamais rien mais ale mérite de savoir s'approprier les inventions des autres".


En 1793, sous le Terreur, il collabore de ttrès près avec Jean-Bon Saint André envoyé du Comité de Salut Public à Brest.


-         Il s'occupe à fondre les cloches pour en faire de la monnaie.


-         Il récupère le flint-glas (verre au plomb) des optiques prises aux anglais pour les fondre et perfectionner les optiques françaises.


-         Il s'occupe de la fabrication des poudres.


-         Il invente un procédé de grilles métalliques pour remplacer les vitres de mica, qui étaient importées d'Irlande, sur les lampes.


-         Il travaille aux projets de canaux en Bretagne, en particulier le canal de Nantes à Brest dont le but est de rompre le blocus des ports par les anglais.


Quand la Terreur prend fin il n'est pas inquiété. Il a su s'assurer l'impunité en sauvant quelques têtes et il continuera à être employé par les régimes suivants.


Il meurt en 1817 à l'âge de 76ans après avoir été décoré de la légion d'honneur par Napoléon en personne qui, nous l'avons vu, avait apprécié sa lunette.

 

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Jacques Noël Sané ( 1740-1831)

 

 

Il naît à Brest en 1740, il a donc sensiblement le même âge que Rochon. Son père est également une personne instruite, en particulier dans le domaine scientifique car il est pilote-amiral du port de Brest.


Son fils veut se consacrer à la construction navale qui est, depuis quelques années, la branche la plus prestigieuse de la technique. La physique, les mathématiques, ont pris une grande importance dans cette discipline. Le mathématicien Euler a déjà écrit un ouvrage sur la science de la construction navale.


En 1765 un titre d'Ingénieur Constructeur de la Marine est créé. Jusqu'à présent, et depuis Vauban, le grade d'ingénieur n'existait que dans le génie. Après des études menées à Brest et un stage de 10 mois effectué à Paris, Jacques Noël Sané obtient son grade d'ingénieur à l'âge de 24 ans et fait donc partie d'une des premières promotions portant ce titre.


Il se fait la main sur quelques navires de service mais sa carrière commence vraiment en 1782 quand il bénéficie déjà d'une belle expérience.


A cette date, le ministre de la marine décide de normaliser la flotte et lance un concours pour la construction de navires de 74 canons. Jacques Noël Sané l'emporte et tous les navires de  cette classe sont alors construits suivant ses plans.


En 1786 il emporte un nouveau concours pour la construction de navires de 118 canons. Et à nouveau en 1788 pour la construction de navires de 80 canons.


Il ne faut pas croire pour autant qu'il était le seul ingénieur capable de son époque. Il a des compétiteurs sévères, par exemple Coulomb, ingénieur du génie mais aussi très bon mathématicien.


Une partie essentielle de la flotte française sera donc son œuvre. Beaucoup de ces navires seront en service jusqu'au début de la navigation à vapeur.


En 1789 Sané a 49 ans. Comme Rochon, il s'adapte très bien à la situation. Les révolutionnaires ont absolument besoin de  lui pour construire une flotte capable de résister aux anglais. Jean-Bon Saint André le nomme directeur du port et directeur des constructions navales. Grace à la réquisition de milliers de charpentiers et de tonneliers, il réussit à monter une flotte qui saura faire bonne figure face aux anglais. En particulier lors du combat qui oppose Villaret-Joyeuse à l'amiral anglais Howe, dit Dick-le-Noir, au large de Ouessant et qui donne lieu au fameux combat du Vengeur.


L'après révolution se passe également bien pour lui et il poursuit sa carrière jusqu'à l'âge de 77 ans. Un bilan de sa carrière est assez élogieux :


-         63 ans d'activité;

-         150 vaisseaux construits.

-         12 gouvernements servis.

-         43 ministres.


Bonaparte en remerciements de ses services l'a fait baron, La Restauration le fait Chevalier de Saint-Louis et Charles X Grand Officier de la Légion d'Honneur.


Il meurt à Paris en 1831 à l'âge de 91 ans.


Son dernier vaisseau, l'Océan, naviguait encore en 1855.


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Deux savants Landernéens : les frères Mazéas.


Après deux brestois, deux landernéens s'illustrent dans cette période : Jean-Mathurin et Guillaume Mazéas. Il sont tous les deux fils d'un notaire prospère exerçant à Landerneau.


Jean-Mathurin Mazéas (1713- 1801)


L'aîné, Jean-Mathurin naît en 1713. Il fait ses études supérieures à Paris, au Collège de Navarre.


Il faut dire ici un mot du Collège de Navarre. Il a été fondé en 1304 par Jeanne de Navarre, épouse de Philippe le Bel dans son hôtel de la rue Saint-André-des-Arts, afin d'y recevoir des étudiants de sa Province. On y accueillait aussi tout enfant de famille modeste ou pauvre issu des autres régions de France.


Au siècle des Lumières ce collège est devenu l'un des meilleurs établissements de l'Université de Paris. C'est là que Louis XV crée en 1752 la première chaire de physique qu'il confie à l'abbé Nollet. Entre autres élèves célèbres de cet établissement on peut citer Condorcet qui parle de ses professeurs avec la plus grande reconnaissance et cite leur enseignement comme un modèle à suivre.


Quand Jean-Mathurin Mazéas y termine ses études il se fait abbé et est nommé enseignant du collège. Ce sera un excellent enseignant, se fixant pour objectif d'armer ses élèves pour la suite de leurs études ou de leur activité professionnelle. Il veut, dit-il, enseigner "l'esprit géométrique" plutôt que la "géométrie". Dans ce but il écrit l'un des premiers cours de mathématiques, ce qui est une pratique récente dans le monde enseignant.


Son livre, "Eléments d'Arithmétique, d'Algèbre et de Géométrie" est considéré  comme l'un des meilleurs livres de son époque, il connaîtra 6 éditions entre 1758 et 1777. nous avons donc, en Jean-Mathurin Mazéas, le prototype d'une "Grande Ecole" parisienne, préfiguration de ce que sera l'enseignement à l'Ecole Polytechnique qui d'ailleurs, après la révolution, aura pour premier locaux le Collège de Navarre.


En 1789 Jean-Mathurin Mazéas a 76 ans, largement l'âge de la retraite. Du jour au lendemain il se trouve sans ressources. Les écoles royales ont été fermées et en tant qu'ecclésiastique il ne peut occuper d'autre emploi. Pour subvenir à ses besoins il vend ses livres et ses meubles. Il est alors recueilli à Pontoise par un ancien domestique et vit sur les économies de ce dernier jusqu'au moment où la bourse est à sec.


Le vieux serviteur a alors le courage de se rendre au ministère de l'intérieur plour plaider la cause de son ancien maître. Il y rencontre d'anciens élèves de Jean-Mathurin Mazéas qui lui font obtenir une pension qu'il touche jusqu'à la fin de sa vie.


On trouve dans les archives de la ville de Landerneau un certificat de résidence délivré au citoyen Mazéas par la section des Sans Culotte de Paris. On y apprend qu'il mesurait 1m74, avait des yeux gris et un menton large. Un bon breton en somme !


Il meurt à Paris en 1801, il a 88 ans.

 

Certificat de résidence de Jean-Mathurin Mazéas

délivré par la section des "Sans Culottes" de Paris.

 

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Guillaume Mazéas (1720- 1776)


 

Guillaume Mazéas, le cadet, naît en 1720, toujours dans la paroisse de Saint-Houardon à Landerneau. Il rejoint également le Collège de Navarre et devient également abbé.

Il est d'abord employé comme secrétaire, à Rome, à l'ambassade française auprès du Vatican. A cette occasion il s'intéresse aux antiquités romaines et rencontre des savants étrangers ayant les mêmes curiosités que lui. En particulier il devient le correspondant de Stephen Hales, scientifique anglais de grand renom.

En 1751 il est de retour à Paris où il occupe la fonction de bibliothécaire du Duc de Noailles qui est un amateur averti de tout ce qui touche aux sciences. C'est à ce moment qu'il vit la période la plus riche de sa vie scientifique et qu'il est associé à la première expérimentation du paratonnerre imaginé par Franklin.

Ici, disons un mot de Franklin. C'est le dernier enfant d'une famille de 13 enfants qui doit quitter l'école à 10 ans pour aider son père modeste fabricant de chandelles. Il apprend ensuite le métier d'imprimeur avec son frère et peut ainsi assouvir sa passion pour la lecture.

A 40 ans c'est un autodidacte accompli qui anime une société philosophique à Philadelphie. C'est à ce moment qu'il rencontre l'électricité. Un voyageur venu d'Angleterre apporte quelques livres et surtout du matériel de démonstrations électriques. La mode est alors de produire en public les expériences spectaculaires que permet l'électricité. Franklin, qui est d'une extrême habileté, améliore ces expériences et fait de nouvelles observations. Parmi celles-ci, celle du pouvoir des pointes pour décharger un corps électrisé, ce qui l'amène rapidement à imaginer la paratonnerre.

Franklin a un correspondant anglais, Peter Collinson, à qui il fait part de ses expériences. Celui-ci cherche à les faire publier par la "Royal Society" qui est l'Académie des Sciences anglaise. C'est un refus. Les scientifiques anglais ne veulent pas reconnaître comme l'un des leurs cet amateur, qui plus est des colonies d'Amérique.

Peter Collinson persiste et publie les lettres de Franklin à son compte. C'est un succès ! Le livre arrive même en France où il est traduit et tombe entre les mains du naturaliste Buffon. Celui-ci a l'idée de faire réaliser en public les expériences de franklin par son ami Dalibard qui s'est spécialisé dans ce domaine. Nouveau succès ! A tel point que le roi désire assister à ces expériences. Une séance spéciale est donc organisée pour Louis XV chez le Duc de Noailles à laquelle Guillaume Mazéas est impliqué en tant que bibliothécaire.

Enhardi, Dalibard décide de tenter l'expérience du paratonnerre que personne n'a réalisé jusqu'à présent. Elle est faire à Marly le 13 mai 1752. Une perche conductrice est dressée au passage d'un nuage d'orage et reçoit le premier éclair.

 

L'expérience de Marly

 


C'est alors la frénésie, chacun veut tenter l'expérience. Mazéas dresse lui-même une tige à son domicile et fait arriver un film conducteur dans sa chambre pour pouvoir continuer ses observations, même la nuit sans quitter son lit, si un nuage arrive.

 

Capter la foudre "étant au lit"

 

Il a surtout la bonne idée d'informer ses correspondants anglais du succès de l'expérience de franklin et dans le même temps de faire connaître ses propres expériences. Ces lettres auront deux intérêts :

-         d'abord de faire connaître à Franklin et à ses compatriotes le succès de l'expérience sur le tonnerre. Sa lettre est d'ailleurs en bonne place dans les œuvres complètes de Franklin.

-         Ensuite de le faire admettre comme membre à part entière de la Royal Society, ce qui est une promotion inespérée pour un jeune homme de 30 ans.

Plus tard, Franklin qui attendait la construction d'un clocher à Philadelphie pour tenter l'expérience, aura l'idée du cerf-volant, idée également mise en œuvre par de Romas en France.

 


L'expérience de Franklin

 

 


Cette période aura été la plus active de la vie de Mazéas. Il revient en Bretagne en 1759 à 39 ans comme chanoine de la cathédrale de Vannes. Il continue à s'intéresser aux sciences et en particulier aux sujets concernant sa province. Il fait par exemple une étude sur les cendres de goëmons et montre qu'elles peuvent être utilisée pour produire la soude dont on a besoin dans l'industrie du verre et du savon. Il offre ainsi un déboucher intéressant au travail des goëmoniers dont l'activité est déjà importante sur les côtes normandes et bretonnes.

Il ne connaîtra pas la révolution. Il meurt en 1776, il n'a que 55 ans.

 

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Pour en savoir plus sur le paratonnerre, Franklin et Guillaume Mazéas, voir :

 

Histoire de l'électricité.7. Le paratonnerre.

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L'exposition consacrée aux Savants bretons sous la révolution a eu une suite sous la forme d'un ouvrage publié aux éditions Ouest-France : La Bretagne des savants et des ingénieurs. 1750-1825. 1991.

 

 

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30 avril 2009 4 30 /04 /avril /2009 14:40
 
Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739) est l'un des personnages les plus importants de l'histoire de l'électricité.
 
On peut lire à ce sujet :

Histoire de l'électricité. Dufay et les deux espèces d'électricité.

Pour aller plus loin voir ses mémoires publiés par l'académie des sciences.

 
Mémoires de Dufay à l'Académie des sciences

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie.

 

 

 

 

Année 1723

 

 

 

Sur le phosphore du barometre.

 

Mémoire sur les barometres lumineux.

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1728

 

 

 

Sur quelques expériences de l'aiman.

 

Memoire sur la teinture & la dissolution de plusieurs especes de pierres.

 

Observations sur quelques expériences de l'aimant.

 

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1730

 

Sur quelques Expériences de l'Aimant.

 

Suite des Observations sur l'Aimant.

 

Mémoire sur un grand nombre de Phosphores nouveaux.

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1731

 

 

 

Sur quelques expériences de l'Aiman.

 

Troisiéme Mémoire sur l'Aimant.

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1733

 

 

 

Sur l'Électricité.

Sur l'Aiman.

 

Premier Mémoire sur l'Électricité.

Second Mémoire sur l'Électricité.

Troisiéme Mémoire sur l'Électricité.

Quatriéme Mémoire sur l'Électricité.

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1734

 

 

Sur l'Électricité.

 

Cinquiéme Mémoire sur l'Électricité, où l'on rend compte des nouvelles découvertes sur cette matiére, faites depuis peu par M. Gray; & où l'on examine quelles sont les circonstances qui peuvent apporter quelque changement à l'Électricité pour l'augmentation ou la diminution de sa force, comme la température de l'air, le vuide, l'air comprimé, &c.

 

Sixiéme Mémoire sur l'Électricité, où l'on examine quel rapport il y a entre l'Électricité & la faculté de rendre de la Lumiére, qui est commune à la plûpart des corps électriques, & ce qu'on peut inférer de ce rapport.

 

Observations Météorologiques faites à Utrecht pendant l'année 1734, extraites d'une Lettre de M. MUSSCHEMBROEK.

 

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Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1737

 

Sur l'électricité.

 

 

Septiéme Mémoire sur l'Électricité, contenant quelques Additions aux Mémoires précédents.

 

Observations physiques sur le mêlange de quelques Couleurs dans la Teinture.

 

Huitième Mémoire sur l'Électricité.

 

Sur la teinture

 

Observations physiques sur le mélange de quelques couleurs dans la teinture.

 

 

 

Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique pour la même année tirés des registres de cette académie - Année 1739

 

 

 

 

Éloge de M. du Fay.

 

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29 avril 2009 3 29 /04 /avril /2009 13:26
Eloge par Fontenelle


 

Histoire et mémoires de l'Académie des sciences (1739), 1741, p. 73-83








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Notice par Henri Becquerel

 
 
 
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20 avril 2009 1 20 /04 /avril /2009 07:36

L'Histoire de l'électron.

par Gérard Borvon





Thomson et la découverte de l'électron.


Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales liées à la détermination des standards nécessaires au développement de l'industrie électrique comme, par exemple, la détermination de la valeur de l'ohm étalon initiée par le congrès international des électriciens de 1881.


J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.


Son laboratoire développe un équipement et des savoir-faire appropriés : pompes à vide puissantes, tubes à vide de formes diverses... Quand, en décembre 1895, Röntgen annonce sa découverte des rayons X, les chercheurs qui y travaillent sont en mesure, non seulement de la vérifier, mais aussi d'imaginer des développements immédiats. Dès janvier 1896 ils constatent que les rayons X ionisent les gaz qu'ils traversent; ils peuvent donc, à présent, se dispenser des tubes à vide et travailler sur des gaz ionisés à la pression atmosphérique.


Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.


En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.


Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.


Rayonnements cathodiques, rayons X, radioactivité, découverte des électrons... cette fin de 19ème siècle ne peut que susciter l'enthousiasme des jeunes générations de chercheurs. Le Français Paul Langevin était l'un des ces jeunes physiciens à avoir rejoint le Cavendish Laboratory en l'année 1897. Dans une préface à la traduction française de "Electricité et Matière" (Paris, Gauthier-Villars, 1922) publié par Thomson en 1903, il témoigne :


" Le moment était particulièrement favorable. Dans ce milieu d'étudiants, venus vers le jeune maître de toutes les parties du monde, s'accomplissait avec enthousiasme l'exploration du nouveau domaine des ions et des électrons, ouvert par la découverte des rayons cathodiques et des rayons de Röntgen et que devait féconder de manière si prodigieuse celle du radium, poursuivie en silence cette même année, par M. et Mme Curie, dans les vieux laboratoires de l'Ecole de Physique et Chimie."


L'électron et l'atome, de Thomson à Rutherford.

 

         Ayant découvert l'électron, Thomson imagine un modèle d'atome souvent désigné sous le terme de "pudding". Il est constitué d'une sphère de matière positive, relativement peu dense, dans laquelle se déplaceraient des électrons soumis à la fois à leur propre répulsion et à l'attraction des différentes parties de la sphère positive.


L'ensemble est, cependant, loin de l'image statique d'un gâteau truffé de grains de raisin. Les électrons se déplacent dans cette sphère à des vitesses prodigieuses. En effet, tout apport d'énergie à l'atome doit se traduire, sous forme d'énergie cinétique, par une accélération du mouvement des électrons pouvant aller jusqu'à provoquer leur expulsion à des vitesses proches de celle de la lumière.


Proposition après proposition, Thomson s'attache à expliquer par son modèle beaucoup des propriétés connues des gaz ionisés et de leur émission lumineuse. Pendant plus de dix ans, ce modèle sera perfectionné avant que son ancien élève Rutherford vienne en proposer un autre dont le succès sera tel qu'il occupe encore une place essentielle dans la représentation que se font nos contemporains de la structure d'un atome.


Ernest Rutherford (1871-1937) est le fils d'immigrés écossais installés en Nouvelle Zélande. Il fait ses études dans son pays natal où il s'intéresse, en particulier, à la détection des ondes hertziennes. Profitant d'une bourse d'études, il rejoint J.J. Thomson au Cavendish Laboratory de Cambridge en 1895 et participe avec lui à l'étude des gaz ionisés.


En 1898, il se voit proposer une chaire à l'Université Mc Gill de Montréal. Peu de temps auparavant Becquerel avait découvert les "rayons uraniques". Rutherford s'empare du sujet et étudie le pouvoir ionisant du rayonnement et son pouvoir de pénétration à travers des plaques métalliques de différentes épaisseurs. Comme Pierre et Marie Curie, il distingue deux rayonnements distincts. L'un, peu pénétrant et très ionisant, qu'il désigne comme "rayonnement α". L'autre, plus pénétrant et moins ionisant, le "rayonnement β".


Marie Curie avait déjà imaginé que le rayonnement α était constitué de particules massives perdant rapidement leur énergie en traversant la matière. Rayleigh puis Crookes avaient constaté que ce rayonnement était constitué de particules chargées d'électricité positive. Rutherford était lui-même arrivé indépendamment à la même conclusion.  Il montrera ultérieurement que ces particules sont des noyaux d'hélium résultant d'une "transmutation" du corps radioactif les produisant. Leur énergie cinétique est prodigieuse. A masse égale, Rutherford, les estimera à 600 millions de fois celle d'une balle de fusil sortant du canon  avec une vitesse de 1 kilomètre par seconde.


Ces projectiles vaudront à Rutherford sa plus célèbre découverte en 1911. Il est alors revenu en Angleterre et est professeur à l'université de Manchester. L'expérience qu'il réalise, en compagnie de Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste à bombarder une mince feuille d'or par des particules α devant un écran fluorescent.


Si on s'en tient au modèle de Thomson, d'un atome plein d'une matière positive peu dense, ces particules devraient traverser l'obstacle sans pratiquement être déviées. Or si c'est le cas pour la majorité d'entre elles, une faible proportion (moins de 1 sur 10 000) est déviée, et parfois très fortement. Certaines particules semblent même rebondir vers l'arrière. On prête à Rutherford des phrases traduisant son étonnement : "c'est comme si un boulet de canon rebondissait sur une feuille de papier de soie" aurait-il dit.


Pour interpréter ce phénomène Rutherford imagine un noyau très dense de matière positive où serait concentrée l'essentiel de la masse des atomes. Autour de ce centre positif très attractif, les électrons tournent comme des satellites autour d'un astre central. Plus tard on comprendra que ce noyau est lui-même composé de particules positives, les protons, et de particules neutres, les neutrons. Le modèle "planétaire" de l'atome est né.


Dans notre imagerie contemporaine, ce modèle est resté très populaire. L'atome c'est ce noyau granulaire entouré d'électrons. On le trouve encore, ainsi représenté, dans de très sérieuses publications de vulgarisation scientifique ou sur des sites internet très visités et très bien référencés.


Pourtant Rutherford lui-même savait qu'il souffrait d'un grave défaut. Maxwell avait montré que tout électron subissant une accélération rayonnait de l'énergie, or un électron tournant autour d'un noyau est accéléré vers le centre en permanence. L'énergie qu'il rayonne est telle qu'il devrait être ralenti et tomber sur le noyau en un temps infime.


Dès 1913 Niels Bohr proposait un autre modèle qui répondait mieux à cette objection. Mais avant cette date Planck et Einstein avaient fait naître le photon.


Planck, Einstein et la naissance du photon.


         Avant d'arriver à ce nouveau modèle il nous faut revenir à l'étude de la lumière avec une question : comment la matière, c'est-à-dire l'atome, produit-elle un rayonnement lumineux ?


La question trouve des réponses inédites à partir des années 1880. On sait depuis longtemps que le fer chauffé passe du rouge sombre au blanc éclatant, au fur et à mesure que sa température augmente. A basse température le rayonnement existe également, mais sans être visible à l'œil : c'est l'infrarouge. Il en est de même à très haute température avec l'ultraviolet.


Une loi lie donc la longueur d'onde de la lumière émise et la température du corps émetteur : la longueur d'onde de la vibration lumineuse diminue quand la température augmente. Ou encore : la fréquence de la lumière émise croît avec la température (rappelons que la longueur d'onde d'une radiation, λ, est liée à sa fréquence, ν, et à la vitesse de la lumière, c, par la relation λ = c/ ν).


         En juin 1900, le physicien anglais John Rayleigh montre que la puissance de la lumière rayonnée est proportionnelle à la température absolue du corps et inversement proportionnelle au carré de la longueur d'onde (si P est cette puissance et K une constante, la relation peut s'écrire : P=K.T/ λ2). Hélas, si cette loi se vérifie pour les longueurs d'onde jusqu'au bleu, elle donne des résultats bien trop élevés pour les courtes longueurs d'onde. Avec cette loi, la puissance rayonnée dans l'ultraviolet extrême tendrait même vers l'infini. C'est ce qu'avec humour les physiciens appelleront la "catastrophe ultraviolette".


         En décembre de la même année, le physicien allemand Max Planck, risque une proposition hardie : il postule que les fréquences ν des rayonnements correspondant à une émission d'énergie E, donnée, ne sont pas toutes possibles. Il existe une constante h telle que le rapport E/ν est égal à un nombre entier de fois h. Toute autre vibration est interdite. La formule E=h.ν, si riche et si simple à la fois, est devenue une des grandes formules de la physique.


Comme la matière, l'émission d'énergie est donc discontinue et la physique s'enrichit d'une nouvelle constante : la constante de Planck (h=6,62.10-34 joule.seconde).


         Le pas définitif sera franchi par Einstein en 1905. Employé du bureau des brevets de Berne, âgé de 26 ans, il publie cette année là quatre mémoires qui, pour deux d'entre eux, provoquent une véritable révolution. Le quatrième, sur "L'électrodynamique des corps en mouvement", pose les bases de la relativité restreinte.


Dès l'introduction Einstein y expose que "l'introduction d'un "éther lumineux" devient superflue " dans la mesure où sa conception "ne fait aucun usage d'un "espace absolu au repos". L'éther de Faraday, de Maxwell, de Hertz a vécu ses derniers moments.


 La dernière partie de l'exposé est une application à l'étude de la "dynamique de l'électron". Ses résultats amèneront à une conséquence jugée "très intéressante" par l'auteur, à savoir que "la masse d'un corps est la mesure de sa capacité d'énergie", ce qu'il traduisait par la fameuse formule écrite aujourd'hui sous la forme e=mc2 établissant la relation entre la  masse m d'un corps, sa "capacité d'énergie" e et la vitesse de la lumière c.


La masse et l'énergie devenaient ainsi deux attributs indissociables de la matière et Einstein ne doutait pas que cela puisse être rapidement vérifié. "Il n'est pas impossible, écrivait-il, qu'une vérification de la théorie ne puisse être effectuée avec des corps dont la capacité d'énergie est au plus haut degré variable (par exemple les sels de radium)".          Deux ans plus tôt, le 16 mars 1903, était présentée à la séance hebdomadaire de l'Académie des Sciences, une communication de Pierre Curie et Albert Laborde sur la chaleur dégagée spontanément par les sels de radium. "Nous avons constaté que les sels de radium dégagent de la chaleur de façon continue" écrivaient-ils. Ayant mesuré cette chaleur émise, il trouvaient que 1gramme de radium dégageait "une quantité de chaleur qui est de l'ordre de 100 petites calories par heure". Ils émettaient alors l'hypothèse d'une "transformation interne" de l'atome de radium qui mettrait en jeu une énergie "extraordinairement grande" tout en admettant que ce dégagement d'énergie pouvait aussi s'expliquer par l'utilisation d'une "énergie extérieure de nature inconnue".


L'hypothèse d'Einstein de la transformation de la masse en énergie permettait de trancher : l'émission d'énergie par le radium résultait bien d'une transformation interne qui s'accompagnait d'une lente perte de masse.


Avec la dualité masse-énergie, Einstein, en proposait une autre d'une autre nature : la dualité onde-particule.


Son premier mémoire portait sur la nature discontinue du rayonnement lumineux du corps noir mise en évidence par Planck. Einstein proposait tout simplement et tout radicalement d'abandonner l'image classique d'une onde lumineuse étendue adoptée alors par tous les physiciens, pour celle de particules de lumière, des quanta : "lors de la propagation d'un rayon lumineux émis par une source ponctuelle, l'énergie n'est pas distribuée de façon continue sur des espaces de plus en plus grands, mais est constitué d'un nombre fini de quanta d'énergie localisés en des points de l'espace, chacun se déplaçant, sans se diviser" écrivait-il. Pour résumer : partant de l'hypothèse de Planck, Einstein propose de considérer qu'une lumière monochromatique de fréquence ν est formée de corpuscules porteurs d'une quantité fixée d'énergie, un "quantum", de valeur e = h.ν.


Cette hypothèse pouvait, par exemple,  expliquer une particularité encore inexpliquée de l'effet photoélectrique découvert par Hertz en 1887.


Depuis ce temps on sait que la lumière ultraviolette a la propriété d'extraire des corpuscules chargés d'électricité négative, des électrons, de la surface d'un métal. Le nombre d'électrons, ainsi arrachés, est proportionnel à l'énergie du rayonnement incident. Par contre leur énergie cinétique ne dépend que de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Plus elle est courte et plus les électrons sont rapides. Il existe d'ailleurs une limite supérieure des longueurs d'onde à partir de laquelle une lumière, même intense, ne produit aucun effet. Ce mode de transfert d'énergie entre lumière et électrons est impossible à expliquer avec les concepts classiques. L'hypothèse des quanta, par contre, peut y répondre.


Un de ces "quanta" de lumière, que l'on appellera plus tard "photons", rencontrant l'électron d'un atome du métal lui communique son énergie. Celle-ci provoque l'expulsion de cet électron, le surplus d'énergie se manifestant sous forme de l'énergie cinétique acquise par l'électron.


Les photons d'une radiation de fréquence trop faible, donc de trop grande longueur d'onde, ne seraient pas suffisamment énergétiques pour, simplement, extraire un électron, d'où l'absence d'effet observé.


Alors qu'avec Fresnel, la théorie ondulatoire de la lumière s'était imposée, alors que Maxwell avait mis en évidence le caractère  électromagnétique de cette onde, Einstein revient donc à un modèle granulaire de la lumière tel que l'avait imaginé Newton. Il faut noter que c'est pour cette hypothèse des photons et non pas pour son travail sur la relativité, trop longtemps ignoré, que Einstein reçoit le prix Nobel de physique en 1922.


La question se posait donc à nouveau : quelle est donc la nature réelle de la lumière. Onde ou particule ? Onde et particule ? Ni onde, ni particule ?  Le débat anime encore la physique contemporaine.


L'atome de Bohr.


Les hypothèses de Planck et Einstein sont mises à profit par Niels Bohr (1885-1962), jeune physicien danois qui a fréquenté le laboratoire de Rutherford à Cambridge. Reprenant le modèle planétaire de ce dernier il postule que les électrons ne peuvent circuler autour du noyau que sur des orbites circulaires de rayons déterminés dont la valeur est liée à la constante de Planck. Chaque orbite possible correspond à un "niveau d'énergie" de l'électron. Il peut passer à une orbite supérieure par l'absorption d'un photon d'énergie correspondant à l'écart entre les deux niveaux. Il peut émettre un photon, c'est-à-dire une radiation lumineuse de fréquence donnée, en passant d'un niveau à un niveau inférieur.


Progressivement, pour rendre compte des propriétés de la lumière émise ou absorbée, le modèle se perfectionne et l'électron se voit attribuer d'autres qualités, comme le "spin" supposé décrire le sens d'une rotation de l'électron sur son axe.


Sur le plan pratique le modèle de Bohr sera un outil utile au développement de l'électronique, que ce soit à travers ses premiers pas au moyen des multiples lampes à vide ou ensuite avec les semi-conducteurs. L'optique lui sera également redevable avec la mise au point de techniques comme celle du "pompage optique" débouchant sur la construction des lasers. L'histoire de l'électronique et celle de la "photonique", mériteraient d'être développées, nous ne l'aborderons pas ici. Chacune de ces matières nécessiterait à elle seule un ouvrage.


L'existence de l'électron semble donc parfaitement établie par les multiples applications sur lesquelles débouche sa théorie. Cependant ce modèle d'électrons sautant d'une façon instantanée d'une orbite à l'autre en émettant un rayonnement lumineux s'accorde mal avec celui d'un projectile matériel répondant aux lois de la dynamique newtonienne.


D'autre part la dualité onde-particule de la lumière fait toujours débat dans les années 1920, époque où un jeune physicien français cherche un sujet de thèse.


Louis de Broglie et la nature ondulatoire de l'électron.


         "1905 ! Pendant cette année cruciale dans l'histoire de la physique, par un coup de maître dont il n'existe sans doute pas d'autre exemple dans l'histoire de la science, Albert Einstein, alors jeune employé de vingt-six ans à l'office des brevets de Berne, introduit coup sur coup dans la théorie physique deux idées fondamentales qui vont entièrement  changer le cours de son évolution : celle de la relativité de l'espace temps et celle des quanta de lumière". La phrase est de Louis de Broglie ( Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l'œuvre de Albert Einstein, lecture faite à l'Académie des sciences, 1955).


         Louis de Broglie (1892-1987) a été initié à la physique et aux théories de Einstein par son frère Maurice. Engagé comme radiotélégraphiste pendant la guerre 1914-1918, il revient travailler au laboratoire de son frère alors tourné vers l'étude des rayons X et l'effet photoélectrique, étude dans laquelle le problème des ondes et des corpuscules l'interpelle sans arrêt. Puisque l'onde lumineuse peut être également décrite sous forme de particules, pourquoi des particules ne pourraient-elles pas être décrites par une onde ?


Dans l'année 1923, puis dans sa thèse présentée en 1924, il franchit le pas et établit une corrélation, faisant intervenir la constante de Planck, entre le mouvement d'un corpuscule, par exemple un électron, et la propagation d'une onde. Pour résumer : l'électron peut être décrit comme une onde !


Parmi les applications de cette hypothèse il imagine d'emblée l'explication des orbites des atomes de Bohr : ce sont des états stationnaires d'ondes associées aux électrons de l'atome.


         Sa thèse laisse l'essentiel du monde scientifique dubitatif, à part Einstein à qui Langevin l'a communiquée et qui publie une note la concernant dans les Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Berlin.


Mais l'histoire rebondit. Au printemps de 1926, De Broglie reçoit de Erwin Schrödinger, physicien autrichien alors professeur à Zurich, la copie de l'article qu'il allait publier après la lecture de ses travaux. Il y énonce l'équation, restée célèbre, d'une onde qui permet de décrire le comportement d'un électron isolé mais aussi d'expliquer le spectre lumineux de chaque atome tant en ce qui concerne la longueur d'onde des radiations émises que leur intensité.


Avec Einstein les ondes lumineuses étaient devenues des particules, avec De Broglie et Schrödinger les particules matérielles deviennent des ondes.  Le symbole alchimiste du dragon qui se mord la queue semble inspirer les physiciens.


En 1927 une expérience menée par deux chercheurs américains, Davisson et Germer, vérifie la validité de la théorie ondulatoire : des électrons réfléchis par la surface d'un cristal de nickel donnent, sur une plaque photographique, des figures d'interférence analogues à celle obtenues avec des rayons X. Les électrons se sont donc bien comportés comme une onde.


Onde ou particule ? Werner Heisenberg, jeune physicien allemand de 26 ans décide de ne plus donner de l'atome une image matérielle. Ce qu'on en connaît, ce sont les valeurs des fréquences et les intensités des raies lumineuses émises ou absorbées par l'atome. Il décide de présenter ces valeurs dans des tableaux de chiffres, des "matrices", dont il maîtrise parfaitement la théorie mathématique. Il obtient ainsi des prévisions qui correspondent parfaitement avec les résultats expérimentaux.


Cette "mécanique quantique" sans particules ni ondes annonce bien d'autres surprises.


Quand l'incertitude devient un principe.


         L'un des résultats de cette mécanique matricielle est présenté comme le "principe d'incertitude" ou plutôt "d'indétermination". Il s'énonce généralement en disant qu'il n'est pas possible de donner, à la fois, la position et la vitesse d'une particule. Il en résulte une description "probabiliste" de la matière quand on l'observe au niveau de l'infiniment petit. La notion même de particule n'y a plus de sens pas plus que celles de vitesse ou de position.


Ce principe jette le trouble dans le milieu scientifique. Louis de Broglie en prend connaissance peu de temps avant le mois d'octobre 1927, date à laquelle doit se tenir le 5ème Conseil Solvay (du nom du mécène qui accueille depuis 1911 l'élite des physiciens mondiaux).  Ce " 5ème Conseil", consacré au thème électrons et photons, est resté célèbre. Les débats y sont vifs. Face à Bohr, Heisenberg et Born, de Broglie défend sa "mécanique ondulatoire" : les particules existent réellement et sont "guidées" par l'onde décrite par ses équations. Schrödinger, de son côté, privilégie l'onde : la particule n'existe pas. Là où le sens commun imagine une particule on trouve, en réalité, le maximum correspondant à l'addition d'ondes multiples, celles-ci s'annulant de part et d'autre de ce pic.


Le conflit oppose surtout Bohr à Einstein qui refuse une physique livrée au hasard.


La particule "quantique", photon ou électron, est en effet un être difficilement saisissable. Elle n'est plus ni une onde ni un corpuscule. Elle n'est pas même une onde et une particule à la fois, c'est un "quanton". Cet être de la nouvelle physique peut, dans certaines conditions, se manifester comme un projectile de la mécanique classique, dans d'autres comme une onde, sans être jamais, pour autant, ni l'un ni l'autre.


Le quanton, photon ou électron, possède, par exemple, le don d'ubiquité. Il peut être en différents lieux au même moment.


On se souvient de la démonstration de la nature ondulatoire de la lumière par l'expérience des fentes de Young. De la lumière monochromatique émise par une source unique arrive sur deux fentes parallèles. Les deux faisceaux ainsi obtenus se combinent pour laisser la trace, sur un écran, de bandes alternativement sombres et claires résultant de l'interférence de ce que la physique classique ne peut imaginer autrement que sous forme d'ondes.


Utilisons maintenant une source lumineuse suffisamment faible pour émettre photon après photon. Le résultat est le même. Les photons, dont les impacts successifs sont visibles sur la plaque réceptrice, sont allés se placer sur l'une des franges lumineuses prévues par la théorie ondulatoire. C'est comme si chacun d'entre eux était  passé par les deux fentes à la fois. L'expérience menée sur des électrons amène aux mêmes observations.


Le quanton peut manifester également la propriété de "non-séparabilité" ou "d'intrication". Il peut se combiner à un autre quanton pour donner un être unique aux propriétés inédites.


En 1982 est réalisée par le physicien français Alain Aspect une expérience devenue historique illustrant ce principe.


En produisant l'émission de photons "jumeaux" dont l'un des paramètres, leur "polarisation", devait avoir pour chacun une valeur identique, il montrait que c'était la détection de l'un d'entre eux qui décidait immédiatement de la valeur du paramètre de l'autre. Il prouvait ainsi que, avant la détection, les deux particules ne faisaient qu'une entité unique que seule la mesure distinguait ensuite. Et ceci même si les particules étaient très éloignées au moment de la détection.


Transmettre ce savoir aux non-spécialistes n'est pas chose aisée. Une image est parfois utilisée pour illustrer l'ubiquité quantique de la matière au niveau atomique : celle du poisson quantique dans un étang.


Une truite est lâchée dans un étang que des pêcheurs répartis sur la berge tentent de capturer. A un moment, l'un d'entre eux y parvient. Le pêcheur classique dira : "la truite était là où je l'ai prise". Le pêcheur quantique dira : "avant que je la prenne, la truite occupait tout l'étang. Chacun avait les mêmes chances de la capturer. Elle ne s'est concrétisée qu'au moment où je l'ai prise".


Quant au principe de "non-séparabilité" : si ce sont deux poissons qui ont été jetés dans cette mare le pêcheur quantique considèrera qu'ils s'y sont dilués pour se combiner en une seule entité. A nouveau, c'est au moment de la prise que le poisson capturé deviendra réel laissant l'autre identité au poisson restant.


On peut s'interroger sur ce type d'images. Aident-elles vraiment à la compréhension du phénomène ou suggèrent-elles, par l'irrationalité du propos, que la physique "quantique" est un monde magique auquel n'ont accès que les initiés ?


Ces images ne prétendent pas à une valeur didactique, elles cherchent d'abord à marquer, de façon quelque peu provocatrice, la rupture avec la vision classique des lois de la nature.


Et l'électricité, l'électron, la charge électrique dans tout cela ?


         Dans le vocabulaire quantique le mot "électricité" semble être relégué dans les oubliettes de l'histoire. 


On y trouve encore l'électron qui n'est plus ni une onde ni un corpuscule mais un "quanton". Si on continue à désigner ses propriétés par des termes issus de la mécanique des objets étendus comme ceux de position, de vitesse, de quantité de mouvement, d'énergie... ces mots n'ont plus le même sens et ne se maintiennent que faute d'en avoir trouvé de mieux adaptés.


         L'univers des quantons est très peuplé. Le photon, le neutron et le proton, éléments constitutifs du noyau de l'atome sont des quantons. Protons et neutrons, particules sages dont le nom évoque encore des propriétés physiques classiques, sont eux-mêmes constitués de quantons bien plus exotiques : les quarks.


Leur nom ne doit rien à l'univers des sciences, il marque même une rupture avec tout ce qui pourrait rappeler le "concret". Le physicien Gell-Mann l'a trouvé dans un roman de James Joyce, Finnegans Wake (le rêve de Finnegan). Il figure dans la phrase "Three quarks for Muster Mark"  chantée par un chœur d'oiseaux de mer et qui pourrait se traduire par trois "railleries" pour Monsieur Mark. Pour aller plus loin dans la dérision, les six quarks se voient attribuer des "saveurs" : down, up, strange, charm, bottom, top. A l'étrangeté, le charme, la beauté des quarks, s'ajoute leur "couleur" : rouge, vert, bleu.


Un tel vocabulaire peut faire apparaître le monde des physiciens quantiques comme un monde où on s'amuse entre initiés. La science quantique n'y est plus figurative, elle est devenue un art abstrait.


Mais un savoir scientifique non partagé est-il viable ?


 "...notre responsabilité de physiciens dépasse nos seules tâches professionnelles", déclare Jean-Marc Lévy-Leblond.  "...l'intérêt bien compris de l'entreprise scientifique, dit-il, exige que ses protagonistes partagent leur savoir avec les profanes. Mais comment pouvons-nous espérer faire correctement comprendre les concepts délicats et les expériences ingénieuses que nous élaborons si nous sommes désinvoltes dans leur formulation au point de ne pas les comprendre véritablement nous-mêmes ? "  (Jean-Marc Lévy-Leblond, Mots & maux de la physique quantique, article écrit pour la Revue Internationale de Philosophie, Bulletin de l'Union des Physiciens, Juillet-Août 1999).


         Pour autant l'auteur milite pour un vocabulaire qui mette en évidence "la spécificité et l'originalité" des concepts quantiques et "leur différence d'avec les notions communes". Cette exigence linguistique est, pour lui, la seule façon de "mener une vulgarisation efficace". La quantique attend son Lavoisier.


Que deviennent les termes de quantité d'électricité et de charge électrique dans cette optique ? Le mot électricité ne désigne plus un fluide. Comme aux premiers temps de son histoire, il est redevenu, au mieux, un qualificatif désignant, comme la gravité, une des propriétés de la matière.


La charge de l'électron est devenue un simple chiffre qui indique l'intensité avec laquelle cette particule peut intervenir dans une interaction électromagnétique. La valeur absolue de la "charge" de l'électron (1,6.10-19C) reste la référence, même si le mot "charge" lui-même n'a plus aucun sens. D'autres quantons sont dotés d'un "nombre de charge", positif ou négatif, représentant une fraction de cette charge. Les quarks, par exemple sont dotés des charges - 1/3 pour trois d'entre eux et + 2/3 pour les trois autres. Ajoutons que chaque particule se voit associée à une antiparticule de charge opposée et dont la rencontre lui serait fatale. Ainsi l'électron est associé au positon (ou positron), particule de même masse et de charge positive. Imaginé par Dirac en 1928, il fut ensuite observé dans le rayonnement cosmique et dans les processus d'émission radioactive.


Nous n'en dirons pas plus sur la physique quantique. Peut-être en avons-nous déjà dit trop sur un sujet aussi délicat.  La traque des nouvelles particules prévues par la théorie se poursuit dans les énormes accélérateurs d'aujourd'hui et de demain. Celles qui sont déjà connues nous renseignent aussi bien sur l'infiniment petit de la matière que sur le fonctionnement de notre univers. En essayant de mettre des mots sur leurs équations, les physiciens nous font rêver de ces espaces et de ces temps multiples encore à conquérir.


Pourtant n'est-il pas frustrant de constater qu'au bout de ce long chemin qui, partant de l'ambre de la Baltique, nous a menés jusqu'à cet électron si familier, nous en sommes arrivés à ne plus voir dans l'électricité qu'un chiffre associé à un insaisissable "quanton" ?


Ce n'est qu'un début, l'histoire continue.


L'électricité est une science récente. Elle donnera longtemps encore des raisons de s'émerveiller devant la complexité et la richesse du monde.


La résistance qu'elle offrira à la compréhension des chercheurs sera, pour eux, autant de défis à relever et d'occasions de développer leur intuition, leur intelligence et leur sensibilité. Nos successeurs des siècles à venir s'étonneront sans doute de la façon dont nous concevons ce qu'aujourd'hui nous appelons encore "électricité".


Puissent les quelques repères que nous avons voulu rassembler ici être utiles à nos contemporains pour comprendre le présent et à nos successeurs pour imaginer l'avenir.

 

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru en juin 2009 chez Vuibert.

 


 

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