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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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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. Plus précisément, il est le premier à introduire l'étude académique de l'électricité en France.
 
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.

 

______________________________________

 

 

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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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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19 avril 2009 7 19 /04 /avril /2009 08:50

  Histoire des unités électriques.


par Gérard Borvon

 



A l'occasion de la première exposition internationale d'électricité qui se tient à Paris en 1881, l'initiative est prise d'un "congrès international des électriciens" qui se tiendra pendant l'exposition. Cette réunion n'est pas une simple rencontre amicale. L'un de ses objectifs est de première importance : définir un système international d'unités électriques.


Tout débutant dans l'apprentissage des sciences physiques le sait : à chaque grandeur physique est obligatoirement associée son unité. Dans le domaine de l'électricité, l'ampère, le volt, le watt sont d'une telle banalité que chaque personne qui a, un jour, remplacé une lampe ou un fusible en connaît au moins le nom. Et ceci, où que cette personne habite sur la planète et quel que soit son niveau d'instruction. Mais une question se pose : quand, où, comment, ces unités ont-elles été définies ?


Le système métrique décimal.


L'époque n'est pas si ancienne qui a, d'abord, vu naître le système décimal. Un nom s'impose alors : celui de Lavoisier. Seul, affirme-t-il, un système décimal peut permettre la communication entre chimistes de différentes nationalités et plus généralement entre tous ceux, savants, artisans, marchands et membres de professions dont l'activité implique la mesure. Dans le Traité élémentaire de chimie qu'il publie en 1789 il se livre à un plaidoyer en faveur d'un tel système. Il calcule déjà des tables de conversion et fait fabriquer des balances équipées de boîtes de masses décimales.


Lavoisier fait partie de la commission chargée par le pouvoir révolutionnaire de mettre au point un modèle décimal de mesures. Il est arrêté et guillotiné avant que ce travail n'aboutisse. Pourtant, le 7 avril 1795 (18 germinal de l'an III) le mètre et le gramme deviennent les unités de mesure républicaines et le système décimal est instauré. Des préfixes grecs, déca, hecto, kilo, sont choisis pour les multiples. Des préfixes latins, déci, centi, milli, pour les sous-multiples. Ce système deviendra, comme l'avait souhaité Lavoisier, un véritable "langage universel".


Mais revenons aux mesures et unités électriques.


Pour mesurer, il faut d'abord définir une grandeur (intensité, tension, etc.) et concevoir un instrument fiable pour la mesurer.


Tout au long du XVIIIe siècle différents appareils, à paille, à fil, à feuille d'or sont construits pour estimer la tension ou la charge électrique. Mais ce sont plutôt des "électroscopes" que des "électromètres" car on ne pouvait pas comparer deux mesures faites avec des instruments différents.


La découverte de la pile électrique en 1800 puis celle de l'électromagnétisme en 1820 permettent enfin d'aborder l'électricité par la mesure. Une quantité d'électricité peut désormais être réellement mesurée, lors d'une électrolyse, par le volume de gaz qui se dégage à l'électrode ou par la masse de métal qui s'y dépose. Plus tard, l'intensité d'un courant pourra être évaluée par son action sur une aiguille aimantée ou sur un autre circuit électrique.


Au cours du XIXe siècle, moteurs, génératrices, systèmes d'éclairage ont pris des dimensions industrielles. Toute cette activité n'a pas pu se développer sans des moyens rigoureux de mesure. Elle exige à présent des normes communes. Des appareils de mesure sont mis au point et dans le même temps des unités sont proposées.


Les initiatives sont d'abord dispersées jusqu'au moment où une harmonisation s'impose.


L'Angleterre en avance

 

Dans ce domaine, l'Angleterre a largement devancé les autres pays européens. Il existe une "Association britannique pour l'avancement des sciences" qui, depuis 1863, a établi un système d'unités partiellement repris sur le plan international sous la dénomination de "système de l'association britannique" ou système B.A (pour British Association).


Par ce système, les savants britanniques ont la volonté d'inscrire l'électricité au rang d'une science académique. La mécanique est alors le modèle, les unités électriques doivent donc se déduire des trois unités fondamentales de la mécanique : le mètre, le gramme et la seconde. En 1873, sur la proposition de William Thomson (le futur Lord Kelvin), le mètre est remplacé par le centimètre mieux adapté pour la mesure des masses volumiques. Le système est alors connu sous le nom de système CGS.


Relevons ici la clairvoyance et le courage intellectuel des électriciens britanniques qui n'hésitent pas à choisir le centimètre et le gramme, mesures à la fois continentales et révolutionnaires, dans un pays si attaché à ses traditions insulaires.


En 1875 la "Convention du mètre" signée par les diplomates de 17 États donne à ce choix un caractère officiel. Dans le même temps est créée la Convention Générale des Poids et Mesures (CGPM) et le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) dont le siège est fixé au pavillon de Breteuil à Sèvres, près de Paris.


A côté du système CGS, théorique, l'association britannique a défini un système d'unités pratiques dans lequel l'unité de résistance est désignée par le nom d'ohm, l'unité de force électromotrice par celui de volt et celle d'intensité par celui de weber. Hommage rendu à trois savants ayant fait progresser la science électrique. Les trois unités sont liées par la formule I=E/R qui traduit la relation, établie par Ohm, entre la tension aux bornes d'une résistance et l'intensité du courant qui la traverse. Un weber est donc l'intensité du courant qui circule dans une résistance de un ohm sous l'action d'une force électromotrice de un volt.


La France comme l'Allemagne utilisent également la résistance, la tension et l'intensité comme concepts de base. Mais dans ces deux pays les unités sont d'abord considérées comme des étalons adaptés aux travaux des ingénieurs. Le monde des électriciens ne parle pas un langage unique.



Avant 1881 : des systèmes nationaux différents.

 

Les unités de résistance :

 

En Angleterre, nous avons déjà relevé le choix, par la société britannique, d'une unité théorique, d'une unité pratique et d'étalons. Quelques précisions à ce sujet :


L'unité théorique : nous avons déjà eu l'occasion d'évoquer, dans le chapitre consacré aux équations de Maxwell, le problème lié à l'existence de deux systèmes théoriques possibles : le système électrostatique et le système électromagnétique. Pour des raisons pratiques liées aux applications industrielles, c'est le système CGS électromagnétique qui est retenu. Dans ce système, la résistance a la dimension d'une vitesse. Son unité théorique est donc le cm/s.


L'unité pratique : la valeur de l'unité C.G.S théorique (le cm/s) correspond à une résistance extrêmement faible. L'Association Britannique a donc choisi une unité pratique plus commode pour la mesure des résistances courantes. Elle correspond à 10 millions de mètres par seconde (109 unités C.G.S). Elle est alors désignée sous le nom d'ohm. On retiendra, à ce sujet, que 10 millions de mètres correspond à la longueur du quart du méridien terrestre, valeur universelle qui est à la base de la définition du mètre.


Les étalons : une fois définie cette unité pratique restait à construire des étalons. Ceux-ci étaient constitués par des résistances métalliques déposées à Londres. Maxwell, qui anime le comité chargé de déterminer ce standard, les décrit comme "faites d'un alliage à 2 parties d'argent et une partie de platine, en forme de fils de 0,5mm à 0,8mm de diamètre et de 1m à 2m de longueur. Ces fils sont soudés à de grosses électrodes de cuivre. Le fil lui-même est couvert de deux couches de soie, noyé dans une masse de paraffine et renfermé dans une boîte de cuivre mince, de façon qu'on puisse le porter aisément à la température pour laquelle sa résistance est exactement de 1 ohm. Cette température est inscrite sur le support isolant".




Résistance étalon du système britannique (James Clerk Maxwell, Traité d'électricité et de magnétisme. trad. 1885. Tome I. p.524)

 

En France on compte en "kilomètres de résistance". Cette unité, établie par Bréguet à l'intention des télégraphistes, est représentée par la résistance d'un fil de fer télégraphique de quatre millimètres de diamètre et de mille mètres de longueur. Cette unité vaut environ 10 ohms. Des étalons sont construits mais leur valeur dépend fortement du fer utilisé.

 

En Allemagne on utilise l'unité Siemens, désignée par le symbole US, qui est la résistance d'une colonne de mercure de 1m de longueur et de 1 millimètre carré de section. Sa valeur est estimée à 0,9536 ohm.


Unités de force électromotrice :


L'Unité C.G.S de force électromotrice (qui devrait être le cm3/2.g1/2.s-2) a également une valeur extrêmement faible.

 

L'Association Britannique choisit donc comme unité pratique de force électromotrice, le volt, qui a une valeur de 108 unités CGS.


Elle est sensiblement représentée par la force électromotrice de la pile Daniell. Rappelons que cette pile, mise au point par Daniell, en 1836, comporte une électrode de cuivre plongeant dans une solution saturée de sulfate de cuivre associée à une électrode de Zinc plongeant dans une solution de sulfate de Zinc. Cette pile "impolarisable" a une f.e.m constante de 1,079 volt. La pile Daniell sert également de référence en France et en Allemagne.


Unités d'intensité :

 

L'unité pratique d'intensité de l'Association Britannique est le weber. Intensité d'un courant qui traverse une résistance de 1 ohm présentant une force électromotrice de 1 volt entre ses extrémités. Sa valeur est de 0,1 unités CGS (l'unité CGS étant le cm1/2.g1/2.s-1).


Cette unité permet d'écrire de façon commode toute la gamme des intensités de courants utilisées dans l'industrie. Au plus bas de l'échelle : l'intensité des courants téléphoniques qui est de quelques microwebers et celle des courants télégraphiques qui est de quelques milliwebers. A l'autre extrémité les courants débités par les "machines Gramme" qui varient entre vingt et trente webers ou les courants qui alimentent les cuves de galvanoplastie qui peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de cent webers.


Les appareils électromagnétiques de mesure des courants qui commencent à se généraliser, sont directement gradués, suivant les usages, en webers ou milliwebers.



Dans la pratique un courant de 1 weber dépose 1,19 gramme de cuivre à l'heure à la cathode d'un électrolyseur à sulfate de cuivre.

 

En Allemagne, l'unité d'intensité, est celle qui traverse une unité de résistance Siemens reliée aux pôles d'une pile Daniell. Sa valeur est de 1,16 weber.

 

La France ne présente pas de choix tranché en la matière. Les unités britanniques et allemandes y sont utilisées mais on y utilise aussi le classique "galvanomètre" : un électrolyseur est intercalé dans le circuit et l'intensité du courant est exprimée en cm3 de gaz dégagé par minute aux électrodes d'un électrolyseur à acide sulfurique ou en grammes de cuivre déposés par heure à la cathode d'un électrolyseur à sulfate de cuivre.


A l'évidence, un langage commun s'impose. Ce sera donc l'objectif fixé au premier congrès des électriciens à Paris

 

1881 : premier congrès international des électriciens, premier système international.

 

Le congrès se tient sous le patronage de Adolphe Cochery, ministre des Postes, qui souhaite en faire un évènement international d'envergure. Sa présidence est assurée par un chimiste, Jean-Baptiste Dumas.


Les congressistes, au nombre de 250, viennent de 28 pays différents. Des savants et des ingénieurs aussi célèbres que William Thomson (futur Lord Kelvin), Tyndall, Crookes,  Helmholtz, Kirchhoff, Siemens, Mach, Gramme, Rowland, Becquerel, Fizeau, Planté, Lord Rayleigh, Lenz se trouvent ainsi pour la première fois ensemble. Un sujet s'impose à tous : celui des unités et étalons électriques.    


Une opposition existe entre les "savants" britanniques qui, avec le système CGS, tiennent à inscrire les unités électriques dans le cadre théorique de la mécanique et les "ingénieurs" allemands qui veulent des étalons pratiques.


Le physicien français Eleuthère Mascart, secrétaire du congrès, en rend compte dans un récit qui nous en révèle les coulisses.


«Le Congrès, dit-il, avait constitué une Commission très nombreuse des unités électriques, qui s'est réunie le 16 et le 17 septembre 1881. La première séance a été remplie par une sorte d'exposé de principe sans grand résultat. Dans la seconde, la question a été serrée de plus près ; il s'agissait de savoir si les unités seraient fondées sur un système logique ou si l'on accepterait, en particulier pour la mesure des résistances, l'unité arbitraire dite de Siemens.

 

La discussion a été pénible et très confuse ; on voyait surgir des propositions et des objections imprévues, surtout de personnes qui ne comprenaient pas la portée des résolutions à prendre. M. Dumas, qui présidait avec un tact et une autorité que j'admirais, interrompit la séance en disant que l'heure paraissait avancée (4 h.30) et qu'on se réunirait ultérieurement. C'était un samedi soir. En sortant, j'accompagnais notre Président, et je lui dis : « Mon cher Maître, il me semble que l'affaire ne marche pas bien. » - « Je suis convaincu, répondit-il, que nous n'aboutirons pas et vous avez compris pourquoi j'ai levé la séance. » Je n'ai pas souvenir de ce que fut ensuite notre conversation.

 

Le lendemain, dans la matinée, je rencontrai sur le pont de Solférino William Siemens qui me demanda si j'avais reçu la visite de Lord Kelvin (alors sir William Thomson), en ajoutant qu'on m'invitait à dîner et qu'on espérait arriver à une entente. Rentré aussitôt, je trouvai la carte de Lord Kelvin avec ces mots : « Hôtel Chatham, 6 h. 30 ».

 

Je fus naturellement exact au rendez-vous et je trouvai dans le petit salon d'attente une société imposante : Lord Kelvin, William Siemens pour l'Angleterre, puis von Helmholtz, Clausius, Kirchhoff, Wiedemann et Werner Siemens. La discussion reprit et, après beaucoup d'hésitations, Werner Siemens finit par accepter la solution proposée, à la condition que le système de mesures serait institué « pour la pratique ». Je ne fis aucune difficulté à cette qualification et rédigeai au crayon sur le bord du piano le texte de la convention.

 

Le système de mesures pour la pratique avait comme bases les unités électromagnétiques C.G.S.

 

On définissait l'Ohm et le Volt, en laissant à une commission internationale le soin de fixer les dimensions de la colonne de mercure propre à représenter l'Ohm.

 

Soulagé ainsi d'un grand poids, je dînai de bon appétit et, après la soirée, j'allai en rentrant, à tout hasard, sonner à la porte de M. Dumas, quoiqu'il fût déjà 10 h. 30. Il était au salon au milieu de sa famille et mon premier mot fut : « L'accord est fait sur les unités électriques ». Je n'oublierai jamais l'impression de joie véritable manifestée par M. Dumas à cette nouvelle qu'il était loin d'attendre.

 

Si le système d'unités a fini par aboutir, on doit l'attribuer d'abord à l'autorité de M. Dumas, dont le grand talent inspirait le respect et empêcha la discussion de s'égarer en paroles trop vives, puis à l'influence sur Werner Siemens de son frère, William Siemens, qui vivait dans le milieu scientifique anglais engagé par l'initiative de l'Association Britannique.

 

Nous étions impatients de soumettre ces propositions au Congrès dans la séance générale du mardi 20 septembre, mais on avait appris dans l'intervalle, la mort du président Garfield et la séance fut aussitôt levée en signe de deuil. Comme nous n'avions encore que deux unités, l'ohm et le volt, et qu'il était nécessaire de compléter le système, je demandai au président, M. Cochery, si les commissions au moins pouvaient se réunir.

 

Je dus m'incliner devant sa réponse négative, et nous restâmes, avec Von Helmholtz, auprès de Lord et Lady Kelvin qui, ayant négligé de déjeuner, prenaient un chocolat dans le restaurant Chiboust, installé près de la salle du Congrès. C'est dans ce petit comité, autour d'une vulgaire table en marbre blanc, que furent convenues les trois unités suivantes : Ampère (au lieu de Weber), Coulomb et Farad.

J'étais chargé d'en lire le texte le lendemain 21 septembre en séance générale. Nombre de membres de la commission, qui ne connaissaient que la séance du samedi, en furent bien un peu surpris, mais les commentaires de Lord Kelvin et de Von Helmholtz ne permirent plus aucune hésitation. Le système pratique d'unités était fondé »


Dans le discours qu'il prononça à la fin du congrès, Jean-Baptiste Dumas ne cachait pas sa satisfaction :


" L'accord s'est fait, et, par une décision unanime, vous avez rattaché d'une part les mesures électriques absolues au système métrique en adoptant pour bases le centimètre, la masse du gramme et la seconde ; de l'autre, vous avez institué des unités usuelles, plus voisines des grandeurs qu'on est accoutumé à considérer dans la pratique et vous les  avez rattachées par des liens étroits aux unités absolues. Le système est complet."


Un succès remarqué

 

On peut lire le compte rendu de cette séance dans la revue "La Nature" (deuxième semestre, p282) :


"On peut considérer les travaux du Congrès comme terminés à la date du samedi 24 septembre. Il aura suffit de quatre séances plénières, dont trois seulement auront été consacrées à l'étude des questions... pour épuiser son ordre du jour..."


Les conclusions du congrès tiennent en sept points :


1) Le système CGS est adopté.


2) L'unité de résistance sera désignée par le nom de "ohm" avec la valeur de 109 unités CGS. L'unité de force électromotrice, ou de tension, sera le volt avec pour valeur 108 unités CGS.


3) L'unité pratique de résistance (l'ohm) sera constituée par une colonne de mercure d'un millimètre carré de section à la température de zéro degré centigrade.


4) Une commission internationale sera chargée de déterminer la longueur de la colonne de mercure représentant l'ohm.


5) L'unité d'intensité de courant sera nommée "ampère". Intensité d'un courant "produit par un volt dans un ohm".


6) L'unité de quantité d'électricité sera appelée "coulomb" ou quantité de courant "débitée par un courant de un ampère pendant une seconde" (d'après la relation Q=I.t).


7) L'unité de capacité sera le "farad" définie par "la condition qu'un coulomb dans un farad donne un volt" (d'après la relation Q/C=V).


Ampère et Coulomb, citoyens de la puissance invitante, sont mis à l'honneur par l'attribution de leur nom aux unités d'intensité et de charge. Weber en fait les frais mais ... le congrès lui adresse un message de félicitations pour le cinquantième anniversaire de son entrée à l'université de Göttingen. Son nom sera donné ultérieurement à l'unité de flux magnétique.


Cette nouvelle façon d'attribuer aux unités le nom de savants célèbres est soulignée de façon lyrique pas J.B Dumas dans son discours de clôture du congrès.


"L'Association britannique avait eu l'heureuse idée de désigner ces diverses unités par les noms des savants auxquels nous devons les principales découvertes qui ont donné naissance à l'électricité moderne ; vous l'avez suivie dans cette voie, et désormais les noms de Coulomb, de Volta, d'Ampère, de Ohm et de Faraday demeureront étroitement liés aux applications journalières des doctrines dont ils furent les heureux créateurs. L'industrie, en apprenant à répéter chaque jour ces noms dignes de la vénération des siècles, rendra témoignage de la reconnaissance due par l'humanité tout entière à ces grands esprits... "


Une mode nouvelle est née : celle de la "vulgarisation" scientifique qui s'exprime dans les musées, les expositions internationales, les revues superbement illustrées, en particulier celles relatives à l'électricité : L'Electricité (1876), La Lumière électrique (1879), L'Electricien (1881). Le savant est devenu un personnage qu'il est bon de "populariser".


Le choix de donner aux unités le nom de célébrités scientifiques ne fait cependant pas l'unanimité. A l'occasion du congrès de 1889, Marcelin Berthelot le regrette. "Poncelet, Ampère, Watt, Volta, Ohm, sont maintenant des racines de noms dont la plupart n'ont pas de rapport nécessaire et immédiat avec les hommes qui les ont illustrés". "Le contraste est bien remarquable, ajoute-t-il, avec l'allure essentiellement impersonnelle qu'avait la nomenclature scientifique, il y a seulement quatre vingt ans". D'ailleurs prévoit-il "Il est bien à craindre que le siècle prochain, par la force même de la marche en avant et des modifications des sciences, ne supprime cette terminologie".


Pourtant les noms de Kelvin, de Hertz, de Siemens,  de Tesla, de Henry et de bien d'autres, viendront, dans les décennies qui suivront, s'ajouter à la liste des unités. Le nom de Ampère figurant même dans la liste des quatre unités fondamentales de notre actuel Système International.


Les suites du congrès de 1881 : le joule, le watt...

 

En 1882 l'Association Britannique propose des unités d'énergie et de puissance électriques. Le système C.G.S  comporte déjà une unité de travail, l'erg, (1erg = 981 g.cm2.s-1) déduite d"une unité de force, la dyne, (1dyne = 981 g.cm.s-2) et une unité de puissance : l'erg/s.


Pour l'unité pratique d'énergie elle suggère d'appeler joule le "volt-coulomb" qu'elle utilisait précédemment.

Les électriciens britanniques considèrent Joule (1818-1889) comme l'un des leurs. Ses premiers travaux scientifiques en 1838 portent sur le magnétisme et, à peine âgé de 21 ans il découvre la "saturation magnétique", c'est-à-dire la valeur limite atteinte par l'aimantation d'un noyau d'acier excité par un champ magnétique. En 1842, il découvre la loi qui porte son nom et qui établit la relation entre l'énergie calorifique, W, dégagée pendant un temps donné, t, par une résistance, R,  parcourue par un courant d'intensité I. Loi que nous écrivons : W = R.I2.t. Il n'a encore que 24 ans et se consacrera bientôt à établir la relation traduisant la transformation directe du travail mécanique en chaleur.


 Pour la puissance, l'Association propose le watt à la place du "volt-ampère". Ce faisant, elle empiète sur le territoire des "mécaniciens" dont Watt est l'un des éminents représentants.


La conversion avec les unités de travail et de puissance utilisées par les mécaniciens donne alors :


  1 kilogrammètre = 9,81 joules

  1 cheval-vapeur = 736 watts

 

En 1884 la "conférence internationale pour la détermination des unités électriques" se réunit à Paris. Elle fixe la valeur de l'ohm : résistance d'une colonne de mercure de 1 millimètre carré de section et de 106 cm de longueur à la température de la glace fondante. Des étalons seront construits.


L'ampère est défini comme le courant dont la valeur absolue est 0,1 unité électromagnétique CGS.


Le volt est la force électromotrice qui "soutient" un courant de un ampère dans un conducteur dont la résistance est l'ohm légal.

 

En 1889, le congrès international des électriciens revient à Paris à l'occasion de l'exposition internationale. Le joule et le watt sont confirmés comme unités d'énergie et de puissance. Le kilowatt est retenu à la place du cheval-vapeur pour la mesure de la puissance des moteurs électriques.


De façon quelque peu provocatrice, le congrès des électriciens invite le congrès des mécaniciens qui se tient dans la même période à renoncer au cheval-vapeur, à adopter le système CGS et à clarifier les notions de "force" et de "travail" trop souvent utilisées l'une pour l'autre dans les textes des mécaniciens.

 

Des mécaniciens dépassés :


Les mécaniciens acceptent de clarifier les notions de force et de travail et décident que :


- Le mot force ne sera plus utilisé désormais que comme synonyme d'effort.



- Le mot travail désignera le produit d'une force par le chemin que décrit son point d'application dans sa propre direction.


- Le mot puissance sera exclusivement employé pour désigner le quotient d'un travail par le temps employé à le produire.


En revanche, ils ne renonceront pas à leurs unités propres, aussi archaïques puissent-elles paraître à leurs confrères électriciens :


- L'unité de force reste le kilogramme-force (poids, à Paris, d'une masse de un kilogramme).


- L'unité de travail est le kilogrammètre (travail d'une force de 1 kilogramme-force qui déplace son point d'application de 1 mètre dans sa direction).


- L'unité de puissance est, au gré de chacun : le cheval-vapeur de 75 kilogrammètres par seconde et le poncelet de 100 kilogrammètres par seconde.


Le mot énergie subsiste alors dans le langage comme une généralisation fort utile comprenant les différentes formes équivalentes : travail, force vive, chaleur... Il n'existe pas d'unité spéciale pour l'énergie envisagée dans toute sa généralité : on l'évalue numériquement suivant les circonstances, au moyen du joule, du kilogrammètre, de la calorie, etc.


L'obstination des mécaniciens vaudra aux lycéens de continuer à apprendre, jusqu'aux années 1960, que la force s'exprime en kilogramme-force (kgf), le poids en kilogramme-poids (kgp), le travail en kilogrammètres, la puissance mécanique en cheval-vapeur.

 

En 1893, se tient à Chicago un congrès des électriciens qui est présenté comme le second congrès "officiel" après celui de 1881. Les gouvernements des pays participants y sont représentés et les décisions auront force de loi internationale. Les unités déjà choisies y sont confirmées et précisées.


- L'ohm international sera défini de façon pratique par une colonne de mercure de 1 millimètre carré de section, de 106,3 cm de longueur et d'une masse de 14,4521 gramme.


- L'ampère international sera le courant qui déposera 0,00118 gramme d'argent par seconde à la cathode d'un électrolyseur à nitrate d'argent.


- Le volt international sera la force électromotrice correspondant aux 1000/1434 de celle de la pile Clark, une pile à dépolarisant qui, à cette époque, a détrôné le pile Daniell.


- Le joule et le watt sont confirmés.


La puissance invitante n'est pas oubliée : le henry est reconnu comme unité internationale de mesure de l'inductance magnétique d'un circuit électrique.

 

Vers le système M.K.S.A


Les électriciens britanniques, et en particulier Maxwell, ressentent, dès les années 1860, la nécessité de compléter le système CGS par une unité spécifique à l'électricité comme l'unité de charge électrique ou celle d'intensité d'un courant.


Nous avons déjà noté que deux systèmes concurrents, l'un issu de l'électrostatique et de la loi de Coulomb, l'autre de l'électromagnétisme et de la loi de Laplace, donnent des dimensions différentes pour les unités.


Dans le système électromagnétique, par exemple, la résistance a la dimension d'une vitesse (elle s'exprime par le quotient d'une longueur L par un temps T). Dans le système électrostatique elle a celle de l'inverse d'une vitesse (quotient d'un temps T par une longueur L).


De même toutes les unités de charge (quantité), d'intensité (courant), de tension (potentiel), de capacité... ont des dimensions différentes dans les deux systèmes. On note également que le rapport entre les dimensions des grandeurs électriques dans chacun des systèmes fait intervenir la dimension d'une vitesse v, remarque dont nous avons souligné l'importance dans la théorie de Maxwell.


Tableau établissant les dimensions des unités dans les deux systèmes électrostatique et électromagnétique (Maxwell, traité d'électricité et de magnétisme)


Le système C.G.S ayant été construit exclusivement à partir du système électromagnétique était mal adapté à l'électrostatique.

 

En 1901 l'ingénieur électricien italien Giovanni Giorgi propose une solution qui vise à concilier ces deux systèmes et qui aboutit au choix de l'ampère comme unité électrique de base, du mètre comme unité de longueur, de la seconde comme unité de temps. Pour les masses, même si le préfixe "kilo" est inadapté pour désigner une unité, c'est le kilogramme qui est choisi (encore une cicatrice héritée du passé vivant des sciences).


Ce système prend alors le nom de système Giorgi ou système MKSA. En 1906 est créée la Commission Electrotechnique Internationale (C.E.I) dont l'une des missions est de normaliser le système de mesures destinées à l'électricité industrielle. Il faut, cependant, attendre 1946 pour que le système MKSA soit retenu par le Comité International des Poids et Mesures.


En 1948 la Conférence Générale des Poids et Mesures propose le newton comme unité de forces (force capable de procurer à une masse de 1kg une accélération de 1m/s2). Les unités mécaniques et électriques sont enfin unifiées.


Le joule qui était jusqu'alors défini comme l'énergie dégagée pendant une seconde par un courant de un ampère traversant une résistance de un ohm devient également le travail d'une force de un newton déplaçant son point d'application de un mètre dans sa direction.


Le système MKSA prend alors le nom de système international (S.I), adopté par la 11e Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) en 1960. Le 3 mai 1961 la République française publie le décret n° 61-501 rendant légal le système S.I en France.

 

Victoire définitive du système des électriciens sur celui des mécaniciens. Professeurs et lycéens peuvent désormais oublier kilogramme-force, kilogrammètre et cheval-vapeur au profit des newton, joule et watt.

 

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Cet article fera partie d'un ouvrage publié en juin 2009 chez Vuibert

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Voir aussi

Le coulomb, l'ampère, le volt, le watt, l'ohm... Quand sont nées les unités électriques ? link

Dans les coulisses du Congrès international des électriciens de 1881 link

Les systèmes d'unités électriques et leur unification  link


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18 avril 2009 6 18 /04 /avril /2009 17:50

 

L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.
par Gérard Borvon

 






                Nous avons noté le développement du télégraphe et du téléphone comme moteurs de l'industrie des piles et accumulateurs. Le début de l'éclairage électrique par les lampes à incandescence en est un autre tout aussi important.


La lumière électrique.


         "La Lumière Electrique" est le titre de la revue lancée le 15 avril 1879 par "l'Union des syndicats de l'électricité". C'est dire l'importance attribuée à cette nouvelle branche d'activité au moment où s'ouvre l'exposition de 1881.


         La lampe électrique a d'abord été une lampe à arc. Quand on approche, à faible distance, deux charbons soumis à une forte tension, un arc électrique jaillit qui dégage une vive lumière. Pour en faire un usage industriel plusieurs problèmes doivent être résolus.


         Premier problème : les charbons s'usent et l'écart entre les deux augmente jusqu'à ce que l'arc soit interrompu. Des régulateurs sont nécessaires afin de maintenir automatiquement les charbons dans leur position. Foucault, en France, en propose un qui connaîtra le succès. On lui doit aussi le choix de "charbons de cornue" (poudre de charbon issue des usines à gaz et fortement comprimée), bien plus résistants que de simples  tiges de charbon de bois jusqu'à présent utilisées.


         Second problème : la source de tension. Les premières installations utilisent des piles. La première de ce type à Paris est réalisée pour des effets de lumière sur la scène de l'Opéra construit par l'architecte Garnier et inauguré officiellement en 1875. Le sous-sol de l'Opéra abrite 360 piles Bunsen (piles à dépolarisant : Zinc amalgamé-acide sulfurique/charbon de cornue-acide nitrique) assemblées sous forme de six batteries de 60 éléments chacune. Les ouvriers chargés de leur entretien baignent dans une atmosphère acide combattue par les vapeurs d'ammoniac issues de soucoupes réparties dans la pièce.



Salle des batteries de piles Bunsen  dans le sous-sol de l'Opéra à Paris



         Une telle installation n'est à l'évidence pas adaptée à un éclairage à grande échelle. Celui-ci ne se développera qu'avec l'apparition des premières grosses génératrices.


         L'exposition internationale de 1878, à Paris, avait été l'occasion d'une première démonstration. Le 3 mai, vers huit heures du soir, trente deux globes de verre émaillé, placés le long de l'avenue de l'Opéra s'étaient allumés à la fois projetant une clarté douce et blanche que les observateurs comparaient à celle d'un beau clair de lune.


Les plus anciens se souvenaient avoir ressenti le même choc quand, soixante ans plus tôt, les premiers réverbères fonctionnant au gaz d'éclairage avaient été allumés sur la place du Carrousel. Aujourd'hui leur lumière paraissait rougeâtre et fumeuse et les rues proches de l'Opéra, qu'ils éclairaient, semblaient bien sombres comparées à la clarté de l'Avenue voisine. Moderne au début du siècle, l'éclairage au gaz de ville semblait soudain dépassé.


         Les lampes utilisées à Paris étaient équipées de "bougies de Jablochkoff", version récente et commode des lampes à Arc. Jablochkoff, ingénieur d'origine russe a trouvé le dispositif permettant de se passer de régulateur.



Bougie de Jablochkoff

        

Les deux charbons sont parallèles et portés par un support métallique. Ils sont séparés part un isolant à base de kaolin qui fond dès que l'arc l'atteint. Les deux charbons sont calibrés pour se consumer à la même vitesse : en courant continu, l'un a une section double, en courant alternatif ils sont identiques. Ils sont montés dans des globes de verre translucide afin de diffuser la lumière.


         Chaque bougie peut brûler pendant une heure et demie. Un support porte six bougies qu'un commutateur permet de mettre en œuvre à tour de rôle. Chaque candélabre dispose ainsi, au minimum, de 9 heures d'éclairage.


         Les 46 candélabres installés par la Compagnie Générale d'Electricité dans le quartier de l'Opéra et du Théâtre-Français sont alimentés en courant alternatif au moyen d'un nouveau type de machine Gramme.


         Le même système illumine les quais de la Tamise à Londres.



Eclairage à Londres en 1878



La démonstration réalisée à l'exposition internationale de 1878, porta ses fruits. Des ateliers, plusieurs places ou rues, des gares, l'hippodrome, adoptèrent le procédé. Les grands magasins en particulier y trouvèrent la solution aux incendies qui avaient ravagé plusieurs d'entre eux pour cause d'éclairage au gaz. Les grandes villes d'Europe et d'Amérique suivent le même mouvement.


Notons que le système donne un bon éclairage mais qu'il n'est pas sans danger. Les hautes tensions mises en jeu demandent des câbles bien isolés et des précautions d'usage qui en limitent la généralisation. De plus la lumière est intense et ne s'adapte qu'aux grands espaces. Il est hors de question de l'utiliser, à la place de l'éclairage au gaz, dans les appartements.


L'exposition de 1881 apporte une solution à ce problème de l'éclairage domestique : celle des lampes à incandescence.


Des lampes adaptées à chaque usage, qui peuvent fonctionner pendant plusieurs centaines d'heures, que l'on allume ou que l'on éteint en actionnant un simple commutateur, qui utilisent des tensions relativement basses… que rêver de mieux.


Les lampes Edison, Maxim, Swan … sont une des attractions de l'exposition.


Elles reposent toutes sur le même principe : un filament conducteur en carbone contenu dans une ampoule où on a réalisé le vide. On peut les utiliser isolément ou en équiper des lustres. Elles fonctionnent sous une tension faible (100 ou 50 volts pour les lampes Edison) mais consomment un courant de forte intensité (0,7 ampères pour les lampes Edison).



A : lampe Edison à filament de bambou du Japon carbonisé.

B : Lampe Maxim, carton Bristol carbonisé.

C : Lampe Swan, fil de coton carbonisé

               



 

Lustre Swan.


Edison est celui qui réussit le mieux sa publicité. Deux grandes salles lui sont consacrées où il présente l'essentiel de ses inventions : son téléphone et son télégraphe quadruplex qui permet de faire passer plusieurs messages en même temps dans les deux sens, ses lampes à incandescence et les machines qui les alimentent. Il a même l'habileté de faire réaliser sur place la fabrication des lampes à partir de tiges de bambou.


Chaque fabricant de lampes propose un système de distribution complet et, d'abord, les génératrices qui les alimentent.


Les nouvelles génératrices


Celle proposée par Edison doit pouvoir alimenter 1000 lampes c'est-à-dire fournir jusqu'à 700 ampères. Il faut donc limiter tout dégagement de chaleur dans la machine elle-même. Ainsi l'induit central ne sera pas constitué d'un bobinage de fil conducteur mais de barres de cuivre logées dans le noyau de fer doux du rotor et reliées à leurs extrémités par des disques conducteurs. Le noyau de fer doux sera lui-même constitué de disques de tôle de fer,  séparées par des feuilles de papier afin de limiter le dégagement de chaleur lié au phénomène d'hystérésis magnétique. Des innovations techniques encore utilisées aujourd'hui.



Génératrice Edison


                Ce sont les génératrices exposées, celles de Edison mais aussi de Gramme et de tous les autres participants, qui éclairent l'ensemble de l'exposition. Celle-ci apparaît comme une véritable féerie.


L'alimentation des lampes n'est cependant pas le seul usage des génératrices, le temps est venu des moteurs électriques.


La force motrice de l'électricité.


         Les moteurs électriques sont spectaculairement illustrés par leur application à la locomotion. Le premier Tramway électrique fait ainsi son apparition à Paris. Il circule entre la place de la Concorde et le Palais de l'Industrie. Avec le téléphone et les lampes à incandescence c'est la plus belle attraction de l'exposition.




Premier tramway électrique à Paris

        

Il est dû à Siemens qui en avait déjà présenté une version à l'exposition industrielle de Berlin en 1879. Les 500m de parcours sont réalisés en une minute. Son moteur est une machine Siemens identique à celle produisant du courant dans l'exposition. En effet, toutes ces machines ont la propriété d'être réversibles, tantôt moteur, tantôt génératrice.


         Du plus gros au plus petit : le moteur électrique peut aussi alimenter des machines à coudre, une récente invention fort utile dans laquelle s'est illustré l'Américain Singer.

 


 

 

         Le spécialiste de ces petits moteurs est G. Trouvé. Il en a également équipé un canot électrique dont la démonstration sur la Seine n'était pas passée inaperçue. Mais sa plus spectaculaire réussite est d'avoir équipé un ballon dirigeable miniature que les visiteurs pouvaient voir suspendu aux poutres de l'exposition.




         Long de 3m50, il était gonflé à l'hydrogène. Le moteur et l'accumulateur Planté qui l'alimentaient pesaient moins de 500g. L'hélice tournait à la vitesse de 6,5 tours à la seconde et pouvait propulser le dirigeable à la vitesse de 2m/s.


Après l'exposition de 1881


         Naturellement, le modèle réduit de dirigeable n'avait pas d'autre vocation que d'être un objet d'étude mais il fut fort remarqué et déjà il fit germer des projets.


Le 26 septembre 1884, les frères Tissandier s'élevaient au-dessus de Paris dans un dirigeable muni d'un moteur électrique où ils se livraient à quelques manœuvres puis se laissaient dériver sur un trajet de 25 km. 


Le 9 août 1884 un nouvel aérostat également équipé d'un moteur électrique, construit par les ateliers militaires de Chalais à Meudon, soulevait deux aéronautes et réussissaient une boucle de 7,6 km réalisée en 23 minutes.



1884 : premier vol en boucle d'un dirigeable muni d'un moteur électrique.


         1886 : cinq ans nous séparent de l'exposition universelle d'électricité et seulement deux ans du premier vol réalisé à Meudon. Jules Verne publie "Robur le Conquérant" qui, dans un scénario proche de "Vingt mille lieues sous les mers", met en scène deux membres d'un club aéronautique américain et leur serviteur, enlevés par un étrange et génial ingénieur, nouveau héros des temps modernes, dans un vaisseau du ciel, sorte d'hélicoptère dont la forêt d'hélices était actionnée par des moteurs électriques.

 

L'albatros de Robur le Conquérant


Jules Verne a-t-il visité l'exposition de 1881 ? Son texte, qui fait preuve d'une solide érudition scientifique, est une parfaite illustration de ce qui y était exposé.  Quand il décrit la machinerie électrique de l'engin volant il exprime, sous forme romanesque, les espoirs attendus de cette nouvelle technique et établit, tout en les imaginant franchis, la liste des obstacles dressés sur la route des savants et ingénieurs avant qu'ils s'en rendent parfaitement maîtres.


         " Ce n'est ni à la vapeur d'eau ou autres liquides, ni à l'air comprimé ou autres gaz élastiques, ni aux mélanges explosifs susceptibles de produire une action mécanique, que Robur a demandé la puissance nécessaire à soutenir et à mouvoir son appareil. C'est à l'électricité, cet agent qui sera, un jour, l'âme du monde industriel. D'ailleurs, nulle machine électromotrice pour le produire. Rien que des piles et des accumulateurs. Seulement, quels sont les éléments qui entrent dans la composition de ces piles, quels acides les mettent en activité ? C'est le secret de Robur. De même pour les accumulateurs. De quelle nature sont leurs lames positives et négatives ? On ne sait. L'ingénieur s'était bien gardé – et pour cause – de prendre un brevet d'invention. En somme, résultat non contestable : des piles d'un rendement extraordinaire, des acides d'une résistance presque absolue à l'évaporation ou à la congélation, des accumulateurs qui laissent très loin les Faure-Sellon-Volckmar, enfin des courants dont les ampères se chiffrent en nombres inconnus jusqu'alors. De là, une puissance en chevaux électriques pour ainsi dire infinie…

         Mais, il faut le répéter, cela appartient en propre à l'ingénieur Robur. Là-dessus il a gardé un secret absolu"


         Trouver ce secret, c'est sans doute le défi que nous lance Jules Verne. Défi relevé un siècle plus tard. C'est à nouveau la recette de piles et d'accumulateurs efficaces susceptibles d'équiper nos véhicules trop polluants, ou d'alimenter les sites isolés, que recherchent nos ingénieurs.


Eclairage, moteurs ne demandent donc qu'à se généraliser à condition que l'électricité puisse être distribuée.


L'électricité à domicile.


         Les fabricants de piles ou d'accumulateurs ont leur idée : distribuer l'électricité à domicile sous forme de  piles ou de batteries préalablement chargées.


         Les fabricants de génératrices ont aussi la leur : transporter l'électricité par fils à partir d'une usine centrale. 


Piles et accumulateurs ont eu, les premiers, leur période de succès. Des immeubles, des grands magasins ont installé dans leur sous-sol des systèmes ingénieux de piles Bunsen dont l'électrode de zinc ne plonge dans l'acide que pendant le temps de fonctionnement. Des piles qui "ne s'usent que si on s'en sert".


Ailleurs des accumulateurs au plomb sont livrés à domicile comme de vulgaires sacs de charbon. Le système ne résiste cependant pas à la livraison de l'électricité par fil. Il faudra attendre la fin du siècle pour que de gros accumulateurs trouvent à nouveau leur usage dans l'alimentation des premières voitures électriques qui apparaissent alors comme les véhicules de l'avenir.



Voiture électrique 1898


         Du côté de l'électricité par fils, plusieurs constructeurs se disputent le marché. Deux conceptions les opposent : courant continu ou courant alternatif ? Le courant continu ne rompt pas avec la tradition des piles et accumulateurs et a ses partisans. Le courant alternatif a un gros mérite : il permet l'utilisation de transformateurs et le transport de l'électricité sous haute tension, ce qui limite les pertes en ligne par effet thermique et permet le transport sur de longues distances.


Progressivement le courant alternatif s'impose et le paysage urbain se modifie. Les murs des immeubles se couvrent des fils du téléphone et de l'alimentation électrique dans un réseau d'autant plus touffu que chaque compagnie a ses propres lignes qui viennent s'ajouter à celles des concurrents.


         Une telle anarchie ne pouvait que provoquer des accidents. En 1889, les lecteurs de la revue La Nature peuvent lire le récit d'un accident effroyable à New-York. Un employé des télégraphes monté réparer une ligne se trouve pris, comme dans une toile d'araignée, dans un réseau alternant fils télégraphiques et fils d'alimentation électrique. Il est littéralement carbonisé devant plusieurs milliers de spectateurs impuissants. L'auteur de l'article signale qu'il ne se passe pas une semaine sans que de tels accidents ne se produisent à New-York. En dix huit mois huit personnes ont ainsi été tuées par des fils tombés à terre et dix sept autres ont été grièvement blessées.


         La solution serait naturellement des fils enterrés. C'est celle qu'impose le conseil municipal de Paris pour l'ensemble des compagnies qui s'activent à éclairer Paris à l'occasion de l'exposition internationale de 1889, celle qui voit se dresser la Tour Eiffel dont le sommet portera deux énormes projecteurs électriques.




Systèmes de câbles électriques souterrains à Paris en 1889


         Ce louable effort initial n'empêchera pas les fils aériens et les pylônes qui les supportent de devenir l'élément de paysage le plus caractéristique du siècle à venir.


Qui dit électricité à la maison dit factures et compteurs électriques. Au mois de juillet 1888, le conseil municipal de Paris vote une somme de  20 000 francs pour ouvrir un concours dont l'objet est la construction d'un compteur électrique. Le compteur devra pouvoir fonctionner à la fois en courant continu et en courant alternatif. Pour le courant alternatif il est précisé que l'appareil devra être du type "watt-heure-mètre", le watt-heure étant devenu une nouvelle unité pratique de mesure de l'énergie électrique.


 


Le côté sombre de la force électrique.


Janvier 1889 : L'électricité jusqu'à présent utilisée en médecine pour chercher à guérir, voir même ressusciter,  va l'être pour tuer.


A partir de cette date l'état de New-York a décidé de remplacer la mort par pendaison par l'électrocution des condamnés. Les industriels sont invités à proposer le meilleur procédé qui sera évalué par la Société médico–légale de New-York.  Il est indiqué que des tensions de 1000 à 1500 volts doivent être utilisées à des fréquences de 300 périodes par seconde. Le rapport du comité chargé du dossier recommande des "électrodes de 2,5 à 10 cm de diamètre couvertes d'une mince couche d'éponge et de peau de chamois imbibée d'une solution légère de sel commun". Elle précise aussi que le condamné doit être assis.


Le "Scientific Americain" du début de l'année 1889, rend compte des expériences menées en décembre 88 au laboratoire de Edison qui est l'un des inspirateurs de la loi. Celui-ci teste des tensions inférieures à celles proposées. Un veau de 57kg se relève après un choc administré par une tension de 50 volts mais meurt au bout de 8 secondes quand la tension est de 770 volts. Un cheval de 590kg meurt également après avoir été soumis pendant 25 secondes à une tension de 700 volts. On se propose même de tuer, par le même procédé, l'éléphant "Chief", le plus grand de l'état de New–York, qui est devenu dangereux.


Bientôt un condamné doit être exécuté et son avocat proteste contre l'utilisation de la "chaise électrique" estimant que ce moyen amenait une mort lente et douloureuse, ce qui était contraire à la constitution. Edison est formel : il sait par expérience qu'un homme ne peut pas résister à une tension alternative de quelques centaines de volts.


La première exécution est faite le 6 août 1890. Le condamné, William Kemmler, a attendu 14 mois son exécution. La revue La Nature décrit l'installation retenue. C'est une génératrice à courants alternatifs Westinghouse. Edison doit se contenter de voir ses lampes utilisées pour le tableau de commande. Une vingtaine d'entre elles indiqueront par leur éclat que la tension de 1000 volts nécessaire est bien atteinte et s'éteindront au moment de la décharge suivant un scénario qui deviendra classique par la suite.


L'exécution de William Kemmler en 1890

        

L'exécution se passe mal. Après 17 secondes de passage du courant le condamné émet des râles de souffrance. Il faut remettre la tension. La question se pose : fau-t-il continuer à utiliser ce procédé ?


Le docteur A.P.Southwick, le père de la loi, affirme que Kemmler est mort sans souffrir et défend la méthode. Le fournisseur de la dynamo et la société Westinghouse se défendent : elle a été mal installée. Simplement posée sur le sol, elle vibrait et se déplaçait au point même de risquer de perdre la courroie qui la reliait à la machine à vapeur.


Edison en profite pour se rappeler au bon souvenir des autorités. Il rappelle qu'il est opposé à la peine de mort et que c'est par humanité qu'il a proposé l'usage de l'électricité. Il reproche aux médecins d'avoir fixé les électrodes sur la tête et la colonne vertébrale de façon à s'attaquer au cerveau du condamné alors que dans toutes les morts accidentelles par électrocution, le courant était passé par les mains provoquant l'arrêt cardiaque. Il ajoute d'autre part que si les contacts avaient été bons, une tension plus faible aurait été suffisante car les 1300 volts appliqués auraient dû littéralement carboniser le condamné.


La revue La Nature qui relate l'évènement fait remarquer que la polémique n'est sans doute pas étrangère au fait que Edison préconise la distribution de l'électricité par basse tension alors que Westinghouse préconise les hautes tensions.


La mort par l'électricité aura une longue carrière aux USA, émaillée  des récits horribles de corps torturés. La mort par injection chimique actuellement proposée, à nouveau sous prétexte d'humanité, provoque les mêmes débats qui ne s'arrêteront qu'avec la fin, que l'on ne peut que souhaiter proche, de la peine de mort aux USA.


Les sciences et les techniques sont de plus en plus confrontées à l'usage qui en est fait. La même technique qui peut faire progresser l'humanité peut aussi devenir un instrument de barbarie. Les exemples se multiplieront dans le siècle suivant.


Quel futur pour l'électricité ?


Un départ aussi fulgurant que celui de la science électrique et des techniques qu'elle a fait naître ne pouvait qu'inspirer les prophéties.


Edouard Hospitalier dans La Nature (1882, premier semestre) imagine l'usage à venir des accumulateurs :


"Les études sont dirigées aujourd'hui du côté des accumulateurs, et l'on peut espérer que, on sera arrivé à les construire assez légers pour pouvoir faire fonctionner des véhicules pendant quelques heures à l'aide de l'électricité emmagasinée. Il sera facile alors d'établir en certains points de la capitale de véritables relais où l'on viendra recharger les accumulateurs en les branchant sur la canalisation générale de la distribution. On aura ainsi réalisé le cheval de fiacre électrique et la nourriture électrique.

         Nous n'en sommes pas encore là au point de vue de la pratique, mais combien d'années encore cette utopie mettra-t-elle à devenir une réalité."


         Combien d'années ? E. Hospitalier, comme ses contemporains, était certain que l'électricité était l'énergie de l'avenir et avec elle la locomotion électrique. C'était compter sans le pétrole dont on commençait seulement à imaginer l'usage possible dans ces moteurs à explosion dont le premier brevet avait été déposé par les frères Niepce en 1807 à un moment où ils ne disposaient pas encore du combustible idéal (leur prototype fonctionnait à la poudre de lycopode, spores d'un champignon). Un siècle plus tard, effet de serre et épuisement des ressources combinés, l'idée de la voiture électrique, à condition que la production d'électricité  ne soit  pas elle-même source de pollution, intéresse à nouveau pouvoirs publics et industriels.


         Les idées ne manquaient déjà pas au siècle de l'avant-pétrole. Louis Figuier, rendant compte de l'exposition de 1881 dans L'année Scientifique de 1882, expose les siennes : utiliser les énergies des chutes d'eau, des marées, des fleuves.


         "Créer de l'électricité par la force primitive, transporter cette électricité à distance au moyen d'un fil, et à cette distance changer de nouveau cette électricité en mouvement… des forces naturelles aujourd'hui perdues pourraient être utilisées en les transportant à une distance plus ou moins grande.


         Il y a par exemple, dans les Alpes, dans les Pyrénées, dans les Apennins, dans les Andes, d'immenses chutes d'eau qui pourraient produire de grands effets mécaniques, et qui sont perdues parce que l'on n'a pas le moyen de les utiliser sur place. Transportez cette force du pied des Alpes, par exemple, jusque dans une usine située à 20 ou 30 kilomètres, et vous disposerez ainsi d'une puissance qui était perdue, qui ne sera pas assurément gratuite, mais qui sera un accroissement de votre énergie mécanique.


         Les marées sont une force naturelle immense, mais dont on ne peut tirer parti sur les rivages de l'océan. Transformez en électricité, au moyen d'une machine dynamo-électrique, la force mécanique de l'influx marin recueilli sur les côtes, et transportez au loin cette électricité… et vous aurez tiré parti d'une force naturelle qui jusqu'ici n'a jamais pu être utilisée sérieusement…


         La roue d'un modeste moulin peut même être employée à produire de l'électricité, et cette électricité transporter au loin l'énergie mécanique de la chute d'eau"


         Nous trouvons dans cette énumération une grande partie des énergies renouvelables que nous exploitons aujourd'hui ou que nous souhaitons exploiter dans l'avenir. L'énergie des chutes d'eau a déjà largement été mise à profit. Celle des barrages sur les fleuves commence à atteindre ses limites car la terre qu'ils engloutissent est, elle aussi, un bien précieux. Quelques usines marée-motrices fonctionnent mais surtout on commence à peine à expérimenter l'usage d'hydroliennes utilisant les courants marins.


En y ajoutant l'énergie du vent et surtout l'énergie solaire on aura complété la panoplie des alternatives aux énergies fossiles qui constitueront probablement une part essentielle de notre futur.

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Cet article fait partie d'un ouvrage à paraître en juin 2009 ches Vuibert

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On peut lire aussi :

 

Histoire de l'électricité. Histoire des unités électriques.

 

 

 

Histoire de l'électricité. Les voitures électriques dans le Paris de la belle époque.



Au moment où le tramway fait l'actualité parisienne couplé avec le problème de la pollution de l'air et celui de la lutte contre l'effet de serre, il peut être amusant de se pencher sur l'histoire des débuts de la locomotion automobile à Paris. Une période où la principale pollution était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.



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18 avril 2009 6 18 /04 /avril /2009 17:31


L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.

par Gérard Borvon


 

 

Sur le plan théorique, la découverte de la pile électrique en 1800, puis de l'électrolyse, a eu pour premier effet la découverte de nouveaux corps simples et de rapides progrès dans la compréhension des réactions chimiques.


 

Sur le plan technique les retombées immédiates ont été plus modestes et se sont cantonnées essentiellement au dépôt d'or, d'argent, de cuivre ou d'un autre métal par électrolyse. Les orfèvres ont été les premiers utilisateurs du procédé. Plus tard la galvanoplastie deviendra une activité industrielle.


 

Un nouveau pas est franchi en 1820 avec la découverte de l'action magnétique des courants électriques par Oersted et son application aux électroaimants avec Ampère et Arago. Cette fois les retombées techniques sont rapides et d'une extrême importance.


 

Un exemple : des piles et des électroaimants suffisent à imaginer le télégraphe. La première liaison télégraphique deviendra possible quand son alphabet aura été établi par Morse. Elle est réalisée en 1844 entre Washington et Baltimore. Bientôt les lignes télégraphiques doubleront les voies de chemin de fer et traverseront les océans.


 

La confection et la pose des câbles télégraphiques devient une industrie qui, à son tour, réclame l'aide des "savants" pour l'étude de la résistance électrique des métaux, celle des isolants, celle de la propagation des signaux. Ou encore pour la mise au point de standards internationaux. Nous en reparlerons.

 


 

L'époque des génératrices électriques.

 

 

La découverte des courants induits par Faraday en 1831 ouvre des perspectives industrielles encore plus ambitieuses. Déjà la roue de Barlow était une première approche d'un moteur électrique. Mais pour actionner des moteurs d'une puissance respectable il fallait des puissances électriques que les piles n'étaient pas à même de fournir. Les premières génératrices issues des découvertes de Faraday vinrent répondre à cette demande.


 

On cite généralement la machine inventée en 1832 par Antoine Hippolyte Pixii comme la première génératrice à courant continu. Un aimant permanent tourne devant les deux pôles d'une bobine enroulée autour d'une armature de fer doux repliée en U. Un courant est créé dans la bobine à chaque passage des pôles de l'aimant devant ses propres pôles. Un problème cependant : ce courant est alternatif, son sens changeant suivant que les pôles de l'aimant s'approchent ou s'éloignent de la bobine. Toute l'astuce de Pixii tient à l'idée d'un "commutateur" relié à la bobine et monté sur l'axe de rotation de l'aimant (on dira par la suite un "collecteur"), permettant d'inverser le sens du courant dans le circuit récepteur extérieur à chaque tour de l'aimant. Ainsi la génératrice produit un courant circulant toujours dans le même sens.

 

 

La machine de Clarke est construite sur le principe inverse : ce sont les bobines qui tournent devant un aimant permanent. La machine de la "Compagnie de l'Alliance" constituera une application industrielle de ce principe. Quatre séries de bobines portées par un rotor de bronze tournent devant huit rangées d'aimants permanents. Cette machine, dont le rotor est actionné par une machine à vapeur, sera utilisée pour l'éclairage des phares.

 

 


 

 

La machine de l'Alliance montre, déjà, à quelle vitesse les industriels sont capables de passer d'un prototype léger à une machine aussi puissante que robuste. L'industrie électrique profite de toutes les techniques de la "révolution industrielle" de ce 19ème siècle qui a déjà commencé à transformer la planète par la maîtrise du charbon, de la vapeur, de la fonte et de l'acier.

 

 

La prochaine étape vers l'amélioration de ces machines consistera à remplacer les aimants permanents par des électroaimants. Les machines "dynamoélectriques" remplacent les machines "magnétoélectriques". Nous arrivons ainsi à l'une des plus célèbres parmi les premières d'entre elles : la machine Gramme.

 

 

Né en Belgique, Zénobe Gramme (1826-1901), est un ancien ouvrier de la Compagnie de l'Alliance. Autodidacte il met au point une série de génératrices dont la série commence par un simple "anneau" tournant dans le champ d'un électroaimant et se poursuit par de solides et puissantes machines adaptées aux différents usages de l'industrie électrique naissante : éclairage, force motrice….

 

 


Machine Gramme à courant continu

 

 

         Nous ne détaillerons pas les différentes étapes des travaux de Gramme. Disons cependant que, après Ruhmkorff (1864) et Bell (1880), il se voit attribuer, en 1888, le prix Volta de 50 000 francs par l'Académie des Sciences. Signe de l'importance accordée par les scientifiques aux découvertes de ce technicien.


 

         Avec l'électromagnétisme les sciences et les techniques sont intimement liées. Une expérience de laboratoire débouche rapidement sur son développement technique, une innovation technique ouvre de nouvelles voies de réflexion ou permet la vérification d'une théorie en attente de validation.


 

         Un évènement a particulièrement illustré cette rencontre entre sciences et techniques, entre savants et ingénieurs : l'exposition internationale d'électricité de 1881.

 


 

L'Exposition Internationale d'Electricité de 1881 à Paris.

 

 

         Les expositions internationales constituent ces grands rendez-vous du 19ème siècle entre les états du monde "développé". Chacun y expose sa puissance technique et économique dans une rivalité qui s'affirme vouloir n'être que "pacifique".

 

 

 

         L'électricité y prend naturellement toute sa place. C'est le cas à Londres en 1862, à Paris en 1867 et 1878, à Vienne en 1875 et à Philadelphie en 1876. Mais l'exposition de 1881, à Paris, est une innovation. C'est la première fois qu'une exposition internationale est entièrement consacrée à l'électricité et à ses applications. Cette rencontre prendra une importance particulière avec l'organisation, pendant l'exposition, du premier congrès international des électriciens.

 

 

 


Vue d'ensemble de l'Exposition Internationale d'Electricité.1881.

 

        

750 000 personnes visiteront l'exposition entre le 11 août et le 20 novembre. Dès l'entrée dans le Palais des Champs-Élysées le spectacle est grandiose. Au milieu du rez-de-chaussée, un phare électrique, modèle de ceux qui doivent être installés sur les côtes, éclaire la salle de ses feux tournants de différentes couleurs. Ce phare symbolise à lui seul deux des grandes affaires de cette exposition : l'éclairage et l'utilisation des génératrices électriques de forte puissance.

 

 

Proposons-nous un tour de l'exposition en visitant successivement ses principaux centres d'intérêt :

 

- la communication par signaux électriques.

- les piles et accumulateurs électriques.

- l'éclairage électrique.

- la production d'électricité par les génératrices.

- les moteurs électriques.

 

 

 

Télégraphe et téléphone :

 

 

         Le télégraphe occupe nécessairement une place importante dans cette exposition. C'est en 1838 que Samuel Morse a fait breveter, en même temps que son alphabet, l'emploi des électro-aimants associés à un système de levier émetteur et de récepteur enregistreur. L'interruption du courant dans le circuit émetteur, alimenté par une source de tension continue, produit un courant induit de rupture dans la bobine émettrice. Ce courant, à son tour, actionne un électroaimant récepteur et le levier inscripteur qui lui est associé.


 

Depuis cette date le télégraphe  a déjà fait le tour du monde et il s'est amélioré. Le télégraphe à cadran en usage dans les chemins de fer se lit sur des cadrans portant les lettres de l'alphabet. Le télégraphe imprimeur de Hughes utilise un clavier du type de celui de nos actuelles machines à écrire. Le système Wheatstone utilise des bandes perforées. Le système Baudot est un concentré d'ingéniosité. Il permet d'expédier, ensemble, plusieurs signaux qui, de plus, sont imprimés à l'arrivée. Avec le procédé duplex d'Edison les messages peuvent se croiser sur la même ligne.


 


Station télégraphique utilisant le télégraphe Baudot. Paris 1881.

 

        

Mais l'attraction vedette de l'exposition est le téléphone.


 

         L'appareil avait déjà été présenté en 1876 à l'exposition de Philadelphie. Tel que décrit par Louis Figuier il est d'une extrême simplicité :


 

         "Le téléphone se compose surtout d'un aimant, aux pôles duquel sont fixées deux petites bobines de fil isolé. Des courants d'induction peuvent s'établir dans les fils de ces bobines par l'action de l'aimant. En face des pôles de l'aimant est tendu un disque de tôle très mince, qui porte en son centre une petite tige en fer doux, qui oscille devant l'écran, quand la plaque de tôle est en état de vibration. Une espèce d'entonnoir est destiné à faire converger les sons vers la plaque vibrante.

         Quand la plaque se met à vibrer sous l'influence de la voix humaine, la petite tige que porte cette plaque avance ou recule, et aussitôt des courants magnétoélectriques s'établissent dans les fils des bobines qui environnent l'aimant, et ces oscillations répondent exactement à celles de l'air qui sont produites par la voix. Les bobines sont reliées au fil télégraphique électrique, lequel peut avoir une longueur quelconque pourvu que son isolement soit parfait. Les ondulations magnétoélectriques se propagent dans toute la ligne, et à la station d'arrivée, traversent les bobines de l'aimant qui est identique par sa construction avec celui qui se trouve à la station opposée ; les ondulations magnétoélectriques sont, à leur tour, converties en ondulations sonores par la plaque vibrante du récepteur de cet instrument".

 

 

En 1877,  l'Américain Graham Bell stupéfiait ses invités en établissant une conversation entre les villes de Boston et Malden distantes de 9 kilomètres en utilisant les lignes télégraphiques existant entre ces deux villes. Mieux, un pianiste joue de son instrument à Malden, une cantatrice y chante un air à la mode. Ce concert improvisé fait sensation quand il est entendu à Boston.


 

Bell multiplie les démonstrations. La revue La Nature du deuxième semestre de 1877 décrit une transmission entre Boston et North-Conway, villes distantes de 230 km. La conversation est parfaitement nette malgré une résistance de la ligne télégraphique estimée à 40 000 ohms.


 


A l'écoute du téléphone Bell.

 

 

Le téléphone de Bell et ses variantes, tel celui de Edison, se répandent avec une extrême rapidité. La raison essentielle en est la densité du réseau de lignes télégraphiques déjà existantes. Elles sont utilisées par le téléphone qui a d'ailleurs souvent  été désigné comme un "télégraphe parlant".


 

Le problème est cependant celui de la résistance électrique de ces lignes et la faible intensité du signal émis. Les cinq ans qui séparent la découverte de l'exposition de 1881 ont été mis à profit par Bell lui-même et par d'autres ingénieux techniciens pour trouver des solutions.


 

Un premier "amplificateur" est utilisé au niveau de l'émetteur. Celui-ci devient un "microphone" capable de transmettre au loin les sons les plus faibles. Sa réalisation met en œuvre une propriété du graphite dont la découverte est attribuée à l'Américain David Hughes. Un bâton de graphite présente une résistance qui varie en fonction de la pression exercée entre ses extrémités taillées en pointe. L'une des pointes étant appuyée sur la membrane, une simple vibration produit une variation de la résistance de la tige. Celle-ci étant conductrice peut être reliée à la ligne de transmission par l'intermédiaire d'une pile. L'intensité du courant débité par la pile variera donc au gré des vibrations et son intensité sera bien plus forte que celle du faible courant produit dans la bobine inductrice initialement proposée par Bell.


 

Dès lors la résistance des fils de la ligne télégraphique n'est plus un problème. Plusieurs microphones sont ainsi présentés à l'exposition dont celui construit par Darsonval et Paul Bert qui comporte une série de tubes de graphite soumis à une pression réglable.


 


Téléphone à tiges de graphite de Darsonval et Paul Bert


 

Un autre procédé utilisant des pastilles de poudre de graphite comprimée a été développé par Thomas Edison déjà renommé pour être le constructeur du premier phonographe. Le génial inventeur américain, qui n'a encore que 34 ans au moment de l'exposition, est déjà l'un des plus actifs dans le domaine de la télégraphie. Il est tout naturellement concerné par la téléphonie dans laquelle il se révèle un concurrent redoutable pour Bell.


 

A Paris, en 1881, le Ministère des Postes et Télégraphes a confié la mise en scène de la téléphonie à la Société Générale des Téléphones de l'ingénieur Bréguet utilisant le système de Clément Ader, le futur constructeur du premier avion.


 

Pour le chroniqueur scientifique Louis Figuier : "Cette application si nouvelle et si extraordinaire du téléphone, consistant à faire entendre  à distance des sons musicaux et autres, a été la surprise, la merveille, le grand évènement de l'Exposition de 1881 pour le public, et l'on peut ajouter, pour les savants eux-mêmes." (L'année Scientifique et Industrielle – 1878)


 

C'est une foule qui se précipite tous les soirs dans les quatre salles destinées aux démonstrations du téléphone. Il faut attendre souvent plusieurs heures avant d'entrer, par groupes de vingt, dans une salle dont les murs sont tapissés de tapis d'Orient et le sol recouvert d'un épais tapis. Là,  chacun peut écouter pendant 5 minutes les airs qui se chantent ou se jouent à l'Opéra relié à la salle par une ligne traversant les égouts.


 

L'accueil est enthousiaste : " Il faut avoir entendu dans les téléphones de l'Exposition d'Electricité, pour se rendre exactement compte de la délicatesse avec laquelle les sons se trouvent transmis. Non seulement on entend les artistes, mais on reconnaît leur voix, on distingue les murmures du public dans la salle, on perçoit ses applaudissements". (La Nature septembre 1881).


 

 


Salle de réception du "théatrophone"


 

         Il faut ajouter que le système, désigné sous le nom de "théatrophone", fonctionne en stéréophonie. Devant la scène de l'opéra des "transmetteurs" (larges plaques posées sur des tiges de graphite), sont disposés de chaque côté de la loge du souffleur. Chaque série est reliée à l'un des deux écouteurs dont dispose l'auditeur restituant ainsi le "relief" du son.


 

         Si le téléphone est une révélation pour la majorité des visiteurs, ce n'est pourtant pas une nouveauté à Paris. Il y existe un réseau dont ses promoteurs n'hésitent pas à affirmer qu'il est "le plus parfait de ceux fonctionnant aujourd'hui, tant en Europe qu'aux Etats-Unis" (revue "La Nature" premier semestre 1882). Depuis 1879 l'administration des Postes et Télégraphe a cédé l'installation du téléphone aux sociétés privées. A Paris, la "Société Générale des Téléphones" naît en 1880 de la fusion de deux sociétés préexistantes. Début 1881 elle compte 7 bureaux centraux et 300 lignes installées dans la capitale. Fin 1881, les démonstrations réalisées lors de l'Exposition Internationale font exploser les demandes d'abonnement.

 

 


Bureau central téléphonique. Avenue de l'Opéra. Paris.1881.


 

La société continue à se développer dans la France entière jusqu'en 1889, année où l'Assemblée Nationale décide de faire du téléphone un service public et de rattacher sa gestion au ministère des postes et télégraphes qui devient ainsi le ministère des P.T.T  (Poste, Télégraphe et Téléphone). Il vivra un siècle jusqu'à la loi de 1990 qui privatise les télécommunications en France.

      

 

A l'Exposition Internationale, les visiteurs n'on vu que le spectacle mais, tant pour le télégraphe que pour le téléphone, le technicien était plus intéressé par ce qui se passait dans les coulisses.


 

Toute installation demande une source de courant continu c'est-à-dire des piles ou, mieux, des "piles secondaires" c'est-à-dire des accumulateurs. Le développement du télégraphe et du téléphone fait de la construction des piles et accumulateurs une affaire industrielle.

 


 

Les sources de courant continu : les piles et accumulateurs.

 

 

         Côté piles, de sérieux progrès avaient été réalisés. La première pile volta présentait l'inconvénient de se "polariser" : les réactions chimiques à ses électrodes faisaient rapidement chuter sa tension. La pile Daniell, impolarisable était déjà un progrès mais sa forte résistance ne pouvait en faire un générateur utilisable dans la pratique. Les piles à "dépolarisant" répondaient enfin au problème.


 

Celle imaginée par Georges Leclanché est l'une des plus utilisées. En 1867, alors exilé en Belgique pour ses opinions républicaines, il dépose un brevet pour une pile dont l'électrolyte était une solution de chlorure d'ammonium et le pôle positif une plaque de charbon recouverte sur chaque face d'une couche de peroxyde de manganèse, l'ensemble étant contenu dans un vase poreux plongeant dans un deuxième vase contenant la même solution et une tige de zinc constituant le pôle négatif.


 

Elle sera massivement utilisée sur les télégraphes belges et néerlandais. De retour en France, Leclanché confie l'exploitation de son brevet à l'industriel Barbier. La pile Leclanché-Barbier est alors largement utilisée dans les télégraphes français. En 1881 l'usine, qui emploie 50 ouvriers, a vendu près de 300 000 piles. Après la mort prématurée de Leclanché en 1882 à l'âge de 43 ans, la pile sera encore perfectionnée par son fils Max pour être rendue facilement transportable. Sous différentes marques commerciales, elle est encore largement utilisée aujourd'hui.


 

Mais les piles ont de sérieuses concurrentes : les "piles secondaires" ou accumulateurs. L'idée est de Gaston Planté. En 1860 il rédige un mémoire qui est lu à l'Académie des Sciences dans lequel il décrit les propriétés d'un dispositif qu'il désigne comme une "pile secondaire".


 

L'électrolyse d'une solution d'acide sulfurique entre deux plaques de plomb oxyde la plaque reliée au pôle positif. Il se crée ainsi une dissymétrie entre les deux électrodes. En reliant les deux plaques ainsi "polarisées", Planté constate qu'un courant électrique circule dans le circuit et se maintient jusqu'au retour des plaques à l'état initial. Il a ainsi l'idée de "piles secondaires" qui seront ensuite désignées par le terme d'accumulateurs.  Concrètement cet accumulateur consiste en deux plaques de plomb parallèles enroulées en spirale et maintenues écartées par deux rubans de caoutchouc enroulés en même temps que les plaques. L'ensemble est placé dans un récipient de verre cylindrique empli d'une solution d'acide sulfurique.


 

En 1873 Planté présentait une expérience dont la mise en scène annonçait déjà les progrès à venir de l'industrie électrique.


 

Une des premières machines Gramme, utilisée en génératrice et actionnée par la force motrice mécanique de l'expérimentateur, fournissait un courant qui produisait la charge, par électrolyse, de l'élément Planté.


 

Si, après avoir ainsi chargé l'accumulateur on lâchait la manivelle, la machine Gramme se remettait en marche sous l'action du courant issu de celui-ci. L'auteur de l'article relatant cette expérience (La Nature – avril 80) y voyait l'une des "plus belles démonstrations de l'unité des forces physiques et de leur transformation mutuelle".


 

Progressivement se construisait la notion d'une "énergie" se présentant sous des formes diverses, mécanique, électrique, chimique et capable de se transformer de l'une en l'autre.

 


Machine Gramme chargeant un accumulateur Planté.

 

 

Pour communiquer à ces "accumulateurs" d'électricité une charge suffisante, il fallait les charger et décharger plusieurs fois, ce qui revenait à augmenter la couche d'oxyde sur l'anode. Pour supprimer cette première phase, l'accumulateur "Planté" est aujourd'hui constitué d'un pôle positif de plomb recouvert d'une couche d'oxyde de plomb PbO2, son pôle négatif étant de plomb. La tension aux bornes de chaque élément est de l'ordre de 2 volts. Leur disposition en batterie permet d'obtenir des tensions élevées et une faible résistance ce qui en fait des sources produisant, pendant plusieurs heures, des courants de forte intensité.


 

L'accumulateur au plomb, trop lourd, a été décrié par certains auteurs au profit d'accumulateurs au zinc plus légers. Pourtant le plomb n'a toujours pas trouvé de véritable concurrent pour les accumulateurs d'usage courant.

 


Lire la suite sur : Histoire de l'électricité. L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris (2).

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Cet article fait partie d'un ouvrage à paraître chez Vuibert en juin 2009.




 

 

 

 

    

 

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16 avril 2009 4 16 /04 /avril /2009 11:33

Histoire de l'aimant.

par Gérard Borvon

 

 

 

 

Poursuivre ce récit nous oblige à un retour sur nos pas. Thalès, nous disent Aristote et Hippias, communiquait la vie aux choses inanimées au moyen de l'ambre jaune mais, également, de la "pierre de magnésie" (μαγνήτις  λίθος), l'aimant naturel.



 

Contrairement à l'ambre, venu des contrées lointaines, l'aimant, oxyde de fer naturellement "magnétique" est largement réparti à la surface du globe. Ses propriétés n'en sont pas moins mystérieuses. L'un de ses noms en grec ancien : "pierre d'Hercule", témoigne de la force des pouvoirs qui lui étaient attribués.


 



Même si l'observation commune ne permettait pas de constater, de sa part, d'autres prodiges que l'attraction de quelques râpures de fer, la légende se nourrissait de récits d'îles attirant les vaisseaux munis de clous de fer et d'hommes cloués au sol par leurs souliers ferrés. Des auteurs aussi sérieux que Plutarque ou Ptolémée n'hésitaient pas à rapporter d'étranges pratiques. "Frottez un aimant avec une gousse d'ail ou du jus d'oignons, disaient-ils, et il cessera d'attirer le fer". "Trempez le dans du sang de bouc, disaient d'autres auteurs, et il reprendra toute sa force" (cité par Henri Martin, doyen de la Faculté des lettres de Rennes dans La foudre, l'électricité et le magnétisme chez les anciens. Paris 1866). A l'évidence une observation de type "scientifique" n'était pas encore à l'ordre du jour !


 



Le terme de "magnétisme" sera donc, comme celui "d'électricité", le principal héritage légué par les grecs.


 



Les hellénistes  du 19ème siècle qui, comme Henri Martin, se sont penchés sur l'origine de cette dénomination, ont constaté que l'expression "pierre de magnésie", a pu être interprétée de façon variable suivant les époques. Le sens qui s'est finalement figé est celui d'une pierre issue de la ville Magnésie, cité grecque d'Asie mineure. La ville étant supposée abriter des mines de cet oxyde de fer auquel nous donnons, aujourd'hui, le nom "d'oxyde magnétique" ou "magnétite", et que nous désignons par la formule Fe3O4.


 



Ce nom de "Pierre de Magnésie", sera également donné à d'autres minéraux. La "magnésie" est aussi une terre blanchâtre utilisée dans les pharmacopées anciennes comme laxatif. Elle donnera son nom au magnésium dont elle est l'hydroxyde. "Pierre de magnésie" sera aussi le nom ancien du Manganèse, corps  dont l'oxyde naturel était utilisé comme fondant par les premiers verriers ou les métallurgistes et qui est indispensable, actuellement, à la fabrication de nombreux alliages.


 



Retenons surtout que Magnésie a donné "magnétisme" et le mot anglais ou allemand "magnet" qui désigne ce que, en France, nous appelons "aimant".


 



Le terme d'aimant est, quant à lui, issu du latin adamas : le diamant. Par une voie obscure le mot "adamas" a également désigné une pierre de magnésie particulièrement active. Ce double sens se retrouve dans le latin médiéval mais bientôt le mot "diamas" désigne le diamant pendant que le terme adamas, conservé pour la magnétite, est interprété comme issu du verbe "adamare" (aimer avec passion) et traduit en langue romane par le mot "aymant" puis aimant (voir Henri Martin).


 



Le mystère et la poésie antiques renaissent ainsi dans une pierre capable d'amour. Le domaine des sciences n'échappe pas à la règle, les mots y sont chargés de l'histoire humaine.

 



 



L'héritage chinois.


 

 

         Magnet, aimant… Les grecs et les latins ont légué le vocabulaire au monde européen. Pourtant la propriété la plus fabuleuse de la pierre de magnésie leur avait échappé. C'est de Chine que viendront les premières lumières à travers l'instrument qui fera le bonheur des marchands et des navigateurs : la boussole.


 

A une période que certains auteurs fixent comme antérieure au troisième siècle avant notre ère y est attesté l'usage d'un "indicateur de sud". C'est une statuette montée sur un pivot vertical et dont le bras étendu montre en permanence le sud. C'est naturellement une tige aimantée qui guide ce bras.


 



On évoque aussi la trouvaille archéologique d'une cuiller divinatoire très particulière. La cuiller utilisée dans ce but  a une queue courte et tient en équilibre sur sa base arrondie. On la place au centre d'une plaque polie où sont gravés divers signes propres à lire l'avenir. Un coup vif sur la queue et la cuiller tourne. Quand elle s'arrête, il reste à interpréter les inscriptions indiquées par la direction de son manche. Une cuiller en magnétite et sa plaque de bronze ont ainsi été retrouvées laissant imaginer la façon dont les prêtres chinois aidaient le sort.


 



Plus sérieux. Des boussoles à aiguille suspendue, placées sur pivot ou sur un flotteur sont signalées, en Chine, entre le neuvième et douzième siècle de notre ère. Elles étaient utilisées pour des relevés terrestres. Peut-être étaient-elles déjà connues des ingénieurs qui ont dirigé la construction de la grande muraille.


 

 

Il est vraisemblable que la boussole a d'abord été adoptée par les arabes avant d'arriver en Europe au début du treizième siècle. Les navigateurs européens seront dès lors capables de s'éloigner des côtes et d'ouvrir les routes maritimes de l'Inde, de la Chine et des Amériques.

 



 

Pierre de Maricourt ( XIIIe siècle)


 

         C'est un "ingénieur militaire" au service du Duc d'Anjou, Pierre de Maricourt dit "Le Pèlerin", qui élucide une partie du mystère de la boussole (son nom est issu de l'italien "bussola" et évoque la "petite boîte" dans laquelle les navigateurs la tiennent enfermée). Pierre de Maricourt est d'ailleurs en Italie, occupé au siège de la ville de Lucera, quand, en 1269, il rédige, sous le titre "Epistola de magnete" (lettre sur l'aimant), le traité qui l'a rendu célèbre.


 

L'unanimité se fait pour considérer ce texte comme l'un des actes fondateurs de la science expérimentale. Suivons, un moment, sa démarche.


 

        


         D'abord quand il définit les "pôles" de l'aimant. "Cette pierre, dit-il, porte en elle la ressemblance du ciel… car dans le ciel il y a deux points remarquables parce que la sphère céleste se meut autour d'eux comme autour d'un axe. L'un est appelé le pôle Nord, l'autre le pôle Sud. Ainsi dans cette pierre tu trouves tout à fait de même deux points dont l'un est appelé pôle Nord et l'autre pôle Sud".


 

Le terme de "pôles" sera conservé dans le vocabulaire du magnétisme mais, notons-le : les pôles dont il est ici question ne sont pas ceux de la terre mais ceux du ciel. La boussole indique le Nord céleste. C'est à l'univers entier qu'est liée la Pierre.


 



L'image du ciel implique une sphère et deux pôles sur celle-ci. Il faut donc que l'aimant soit taillé en forme de sphère :


 

         "Pour la découverte de ces deux points tu peux employer divers moyens. L'un consiste à donner à la pierre une forme ronde avec l'instrument employé pour cela pour les cristaux et autres pierres."


 

         Reste à y placer les pôles : 

   

 

"Ensuite on pose sur la pierre une aiguille ou un morceau de fer en longueur équilibré comme une aiguille et suivant la direction du fer on marque une ligne divisant la pierre en deux. Ensuite on pose l'aiguille ou le morceau de fer en un autre endroit de la pierre et pour cet endroit, de la même manière, on marque de nouveau une ligne. Et, si tu veux, tu feras cela en plusieurs endroits et sans nul doute toutes ces lignes concourront en deux points comme tous les cercles du monde qu'on appelle azimuths concourent en deux pôles du monde opposés"


 

Ensuite :


 

        

         "Casse un petit morceau d'une aiguille qui soit long de deux ongles et pose le à l'endroit où le point a été trouvé comme on vient de le dire, et s'il se tient perpendiculairement à la pierre, tu as sans nul doute le point cherché…  et de même tu trouveras le point opposé. Si tu l'as bien fait et si la pierre est homogène et bien choisie, les deux points seront diamétralement opposés comme les pôles de la sphère céleste"


 

         Pour savoir lequel est le pôle Nord, lequel est le pôle Sud, il reste à placer la sphère dans un bol de bois posé sur l'eau et à la laisser s'orienter comme une boussole. On marquera alors comme "pôle Nord" celui qui se dirigera vers le Nord céleste.

 

 

Maintenant, expérimentons. Une deuxième pierre a été préparée, on l'approche de la première, et voilà que la Nature dévoile l'une des lois cachée jusqu'à présent à la connaissance des hommes !


 

         "Sache donc cette règle",écrit Maricourt " que le pôle Nord d'une pierre peut attirer le pôle Sud de l'autre et le pôle Sud son pôle Nord. Si au contraire tu approches le pôle Nord du pôle Nord, tu verras la pierre que tu portes fuir sur l'eau la pierre que tu tiens et de même si tu approches le pôle Sud du pôle Sud"


 

         Le moyen âge, dit-on, est période d'obscurantisme. Pierre de Maricourt semble vouloir prouver le contraire. Il faudra attendre plus de trois siècles pour que William Gilbert apporte de nouveaux éclairages sur le même sujet et plus de quatre siècles pour que Dufay décrive, avec la même précision, les lois de l'attraction et de la répulsion électrique.


 

Louis Néel, en recevant le prix Nobel de physique en 1970 pour ses travaux sur le ferromagnétisme, saura rendre, à Pierre de Maricourt, un hommage mérité. Après avoir salué les travaux de ses prédécesseurs, Pierre Curie, Paul Langevin, Pierre Weiss, il situe ses propres travaux dans l'héritage de son confrère médiéval :


 

" Seules restaient incomprises les propriétés de la plus ancienne des substances magnétiques connues : la magnétite ou pierre d'aimant qui a attiré l'attention des curieux depuis quatre mille ans. J'ai eu la chance de combler cette lacune et d'expliquer ces propriétés, avec la notion de ferromagnétisme.

Mais j'avais été précédé dans cette voie, au XIIIème siècle, par Pierre de Maricourt, auteur en 1269 du premier traité sérieux sur les aimants."


 

Pour ajouter à son mérite, notons que Pierre de Maricourt observe également l'aimantation du fer par le contact d'un aimant et qu'il inaugure l'expérience classique de "l'aimant brisé" : quand on brise un aimant, un pôle sud apparaît au niveau de la cassure sur le morceau qui porte le pôle Nord et un pôle Nord sur la partie qui porte le pôle Sud. Deux nouveaux aimants naissent donc de cette rupture.

 



 

 

William Gilbert


 

         Plus de trois siècles se sont écoulés. Nous retrouvons William Gilbert. C'est, rappelons le, dans le cadre d'un ouvrage sur le magnétisme qu'il avait été amené à différencier les actions de l'ambre et de l'aimant et à faire connaître la multiplicité des corps susceptibles d'être "électrisés" par le frottement. C'est lui faire justice que de reconnaître son apport tout aussi fondamental dans le domaine du magnétisme.


 

Quand, en l'année 1600, il publie "De Magnete" l'Univers n'est plus celui de Pierre de Maricourt. Depuis déjà plus d'un demi-siècle, Copernic a mis le soleil au centre du monde et rabaissé la Terre au rang d'une simple Planète. La sphère céleste s'est effacée, le Nord et le Sud ne sont plus les pôles du ciel mais les extrémités de l'axe autour duquel tourne la Terre. La boussole, quant à elle, est devenue l'objet de toutes les attentions. Il y a déjà plus d'un siècle qu'elle a guidé Christophe Colomb vers un nouveau monde. Mais, si ce n'est plus le ciel qui la dirige, comment fonctionne-t-elle ?


 

C'est la Terre, nous dit Gilbert, qui attire la boussole car elle est elle-même un gigantesque aimant.


 



Les aimants sphériques de Pierre de Maricourt pouvaient, de façon naturelle, amener à ce modèle. Gilbert en fera des "terellae", des petites Terres sur lesquelles il pourra promener une boussole. Il étudiera ainsi le phénomène d'inclinaison magnétique. Une boussole suspendue n'est horizontale qu'au niveau de l'Equateur. Elle s'incline ensuite quand on se dirige vers les pôles pour se présenter perpendiculaire à ceux-ci quand elle les atteint.


 



Il sait aussi que le Nord magnétique ne coïncide pas exactement avec le Nord géographique. Il n'ignore pas que Christophe Colomb, le premier, a observé la déclinaison, cet écart variable suivant les lieux entre le Nord et la direction de la boussole. Ces variations n'enlèvent rien au modèle qu'il propose. Il les attribue aux imperfections de la Terre qui, avec ses océans, ses montagnes, ses mines métalliques, est loin de l'homogénéité d'un aimant parfait.


 

        


         Mais la nouvelle théorie pose un problème de vocabulaire. Si la Terre est un aimant, son pôle Nord géographique qui attire le pôle Nord de la boussole est donc, en réalité, le pôle Sud de l'aimant terrestre !


 



Pour éviter la confusion, des physiciens des siècles suivants, proposeront d'appeler "pôle magnétique positif" le pôle Nord de l'aimant et "pôle magnétique négatif" son pôle Sud. Le pôle Nord de la terre serait ainsi, tout simplement, un pôle "moins" magnétique. Hélas le succès de cette nomenclature ne fut pas au rendez-vous.


 



Les physiciens du 19ème siècle pensaient pouvoir échapper à la confusion en utilisant le terme de "magnétisme boréal" pour l'aimantation du pôle Nord terrestre et de "magnétisme austral" pour celle du pôle opposé. Ainsi le pôle Nord d'une boussole présentait-il un magnétisme "austral". Cet usage artificiel de synonymes ne réglait cependant, en rien, le problème.


 



Combat perdu : les scientifiques ont jusqu'à présent renoncé à réformer un vocabulaire imposé par des siècles de pratique. Nouvelle cicatrice de la science : nous devons nous accommoder d'un "Nord magnétique" des géographes qui est en réalité un "Sud magnétique" des physiciens.


 

        


         L'ouvrage de Gilbert, qui, lui aussi, se reconnaît comme le continuateur de Pierre de Maricourt, restera la référence pendant près de deux siècles et c'est seulement à la fin du 18éme siècle que Coulomb viendra enrichir la connaissance du magnétisme par l'étude quantitative qu'il en fera au moyen de sa "balance".

 


 

Coulomb et la mesure


 

         C'est d'abord le magnétisme qui fait connaître Coulomb. En 1777, son mémoire, intitulé "Recherches sur la meilleure manière de fabriquer les aiguilles aimantées", est primé par l'Académie des sciences.


 

         Coulomb est de cette nouvelle génération de scientifiques qui mettent leur connaissance approfondie des mathématiques au service de la science expérimentale. Ses mémoires pourraient, encore aujourd'hui, donner lieu à d'intelligents exercices scolaires ou universitaires.


 

Quand il quitte le chantier du magnétisme, il nous a appris que, comme le fluide électrique, "le fluide magnétique agit suivant la raison inverse du carré des distances de ses molécules". Il a répertorié et amélioré les méthodes pour aimanter un barreau aimanté et pour en déterminer le degré d'aimantation.


 


          
            Le domaine du magnétisme semble avoir été entièrement exploré. Du moins a-t-on pu le penser pendant les trente années qui ont suivi.

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Cet article fait partie d'un ouvrage paru en juin 2009 chez Vuibert.


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4 avril 2009 6 04 /04 /avril /2009 07:48

Les deux espèces d'électricité.

par Gérard Borvon



         Un premier cours d'électricité est l'occasion d'une mise en scène classique dans la tradition expérimentale des professeurs de physique : Une tige d'ébonite est frottée, une boule de sureau suspendue à son fil de soie ou de nylon est attirée puis vivement repoussée. Commence alors une série de manipulations à base de chiffon de laine, de peau de chat, de tige de verre ou de règle de matière synthétique, supposée faire découvrir une propriété fondamentale de la matière : l'existence de deux espèces d'électricité.


         Progressant dans le cours on arrive rapidement à la notion de courant électrique. C'est là qu'apparaît "le"problème. A peine a-t-on défini son sens conventionnel de circulation, du pôle positif du générateur vers son pôle négatif dans le circuit extérieur, qu'il faut ajouter que le fluide électrique est, en réalité, constitué d'électrons négatifs se déplaçant en sens inverse !


         Une explication s'impose. Le professeur pressé évoquera une erreur ancienne. Peut-être même imaginera-t-il un hasardeux pile ou face. Il suffirait cependant d'un rapide retour sur l'histoire de l'électricité pour révéler, au lieu de décisions hâtives, la recherche obstinée d'une réalité physique. Dufay est l'un des premiers maillons de cette chaîne.


Dufay (1698-1739) et la répulsion électrique :


Nous avons déjà rencontré Charles-François de Cisternay Dufay. Peut-être le moment est-il venu de le présenter. Il est d’une famille de haute noblesse militaire. Lui même entre au régiment de Picardie, à l’âge de quatorze ans, comme lieutenant. Il participe à la courte guerre d’Espagne et conserve sa charge militaire jusqu’à 1723, année où il rejoint l’Académie des Sciences comme adjoint chimiste.





Comment un jeune homme de 25 ans peut-il sauter de la condition de soldat à celle de membre d’une prestigieuse académie scientifique ? Il faut, pour le comprendre, dire quelques mots de Dufay, le père.





Ce militaire avait été instruit par les jésuites à Louis-le-Grand. Il en conserve une culture qu’il continue à enrichir pendant ses campagnes militaires. « Les muses », disait-il, « guérissent des blessures de Mars ». Le propos se vérifie quand, en 1695,  la perte d’une jambe met fin à sa carrière militaire. Il revient à Paris où il se consacre à l’éducation de ses enfants et à l’enrichissement d’une fabuleuse bibliothèque. Charles-François pourra y cultiver son goût  pour les sciences dans le temps même où son père lui enseigne le métier des armes.





Chez les Dufay on rencontre de puissants personnages. Tel le Cardinal de Rohan qui soutient le jeune Charles-François quand celui-ci postule au poste d’adjoint chimiste à l’Académie, en 1723. Réaumur retient cette candidature.



Dufay mettra un point d’honneur à mériter cette distinction. Ses premiers travaux sont marqués par une curiosité débridée. Il passe de l’étude de la phosphorescence à celle de la chaleur libérée par "l’extinction" de la chaux "vive". De la solubilité du verre à la géométrie. De l’optique au magnétisme. Son énergie lui vaut d’être nommé Intendant du Jardin du Roi en 1732. C’est peu de temps après cette promotion qu’il entend parler des travaux de Gray. Il tient enfin "son" sujet. L’électricité lui donnera l’occasion de mettre en œuvre une méthode dont la rigueur n’aura pour équivalent que celle de Lavoisier, dans le domaine de la chimie,  un demi-siècle plus tard.



De magnifiques découvertes seront au rendez-vous. Elles feront l’objet d’une série de mémoires publiés dans l’Histoire de l’Académie des sciences à partir d’avril 1733.


Le premier de ces mémoires se présente comme une "Histoire de l’Electricité". Ce texte reste, même lu avec le recul de près de trois siècles, un honnête document. Avant de faire état de son apport personnel, Dufay choisit de « mettre sous les yeux du lecteur, l’état où est actuellement cette partie de la physique ». Il souhaite, dit-il,  rendre à chacun son mérite et ne conserver, pour lui, que celui de ses propres découvertes. Il veut surtout se libérer de l'obligation d'avoir à citer, à chaque moment, le nom de tel ou tel de ses prédécesseurs. Son projet, en effet, est ambitieux : il se propose de poser les premières pierres d'une véritable théorie de l'électricité. La plupart des auteurs qui l'ont précédé ont, dit-il, "rapporté leurs expériences suivant l'ordre dans lequel elles ont été faites". Son plan est différent: il veut classer leurs expériences et les siennes "afin de démêler, s'il est possible, quelques-unes des lois et des causes de l'électricité".



Un discours de la méthode :



Le second mémoire annonce sa méthode sous forme de six questions.


Il s’agit de savoir :




Quels sont les corps qui peuvent devenir électriques par frottement et si l’électricité est une qualité commune à l’ensemble de la matière.



Si tous les corps peuvent recevoir la vertu électrique par contact ou par approche d’un corps électrisé.



Quels sont les corps qui peuvent arrêter ou faciliter la transmission de cette vertu et quels sont ceux qui sont le plus vivement attirés par les corps électrisés.



Quelle est la relation entre vertu attractive et vertu répulsive et si ces deux vertus sont liées l’une à l’autre ou indépendantes.



Si la "force" de l’électricité peut être modifiée par le vide, la pression, la température…



Quelle est la relation entre vertu électrique et faculté de produire la lumière, propriétés qui sont communes à tous les corps électriques.


Un beau programme qui sera mené avec une remarquable rigueur.


Les trois premières questions cernent le problème de l'électrisation des corps et de la conduction électrique. Nous avons déjà vu comment Dufay s'intercale entre Gray et Franklin pour en établir les premières lois. La quatrième question pose, pour la première fois, le problème de la répulsion.



La répulsion rejoint l'attraction.



Depuis William Gilbert, et même depuis l'antiquité, électricité est synonyme d'attraction. Dufay n'échappe pas à la règle et, dans l'introduction à son premier mémoire il définit l'électricité comme "une propriété commune à plusieurs matières et qui consiste à attirer les corps légers de toute espèce placés à une certaine distance du corps électrisé par le frottement d'un linge, d'une feuille de papier, d'un morceau de drap ou simplement de la main".



Cependant, il a été troublé par l'une des observations faites par Otto de Guericke : celle du globe de soufre qui repousse le duvet qu'il a d'abord attiré. Il avoue n'être jamais parvenu à la reproduire. Par contre il rencontre le succès avec une expérience similaire proposée par Hauksbee. Il s'agit de frotter un tube de verre tenu horizontalement et de laisser tomber sur sa surface une parcelle de feuille d'or. Le résultat est spectaculaire :



"Sitôt qu'elle a touché le tube, elle est repoussée en haut perpendiculairement à la distance de huit à dix pouces, elle demeure presque immobile à cet endroit, et, si on approche le tube en l'élevant, elle s'élève aussi, en sorte qu'elle s'en tient toujours dans le même éloignement et qu'il est impossible de l'y faire toucher : on peut la conduire où l'on veut de la sorte, parce qu'elle évitera toujours le tube".



Même si les prouesses réalisées par la "fée électricité" ont apaisé depuis longtemps notre soif de merveilleux, l'expérience, aujourd'hui encore, mérite d'être tentée. Il importe pour cela de se munir du tube de verre adéquat. Celui de Dufay est du type de celui utilisé par Gray et qui est devenu un standard. Il a une longueur proche de un mètre et un diamètre de trois centimètres. Il est réalisé dans un verre au plomb. Gray et Dufay ne disent rien de la façon dont il était frotté, peut-être tout simplement par la main bien sèche de l'expérimentateur comme le recommandent plusieurs auteurs.



Pour avoir tenté l'expérience, je peux témoigner de l'importance du choix du tube de verre. Un simple tube à essai ne conviendra pas et encore moins la tige de verre d'un agitateur (bien que ce soit de cette façon que, depuis le 19ème siècle, l'expérience est décrite dans les manuels de physique). Leurs diamètres sont insuffisants. Il faut au minimum celui d'une solide éprouvette à gaz. J'ai personnellement rencontré le succès avec le col, long de 50cm, d'un ballon de verre pyrex extrait d'un matériel de chimie. Bien séché et frotté en utilisant le premier sac de "plastique" récupéré, il donne des résultats spectaculaires. Trouver une feuille d'or n'est pas trop difficile si on connaît un marbrier ou un relieur. On peut plus simplement utiliser un duvet ou quelques fibres de coton. Je conseillerais pour ma part les plumets d'un chardon cueillis secs à la fin de l'été.




Bien réalisée, cette expérience montre que la répulsion électrique est beaucoup plus spectaculaire que l'attraction. La parcelle de feuille d'or, le duvet ou le plumet de chardon, que vous aurez lâché, va se précipiter sur le tube frotté pour en être violemment repoussé jusqu'à trente, quarante, cinquante centimètres, voire plus. Personne ne peut être insensible à l'étrangeté d'une telle "lévitation".



Dufay donne de ces faits une interprétation immédiate : "lorsqu'on laisse tomber la feuille sur le tube, il attire vivement cette feuille qui n'est nullement électrique, mais dès qu'elle a touché  le tube, ou qu'elle l'a seulement approché, elle est rendue électrique elle même et, par conséquent elle en est repoussée, et s'en tient toujours éloignée".



Mais approchons le doigt ou un autre objet conducteur de la feuille : elle vient s'y coller pour retomber à nouveau sur le tube et à nouveau s'élever.



Explication simple encore, nous dit Dufay : "Sitôt que la feuille a touché ce corps, elle lui transmet toute son électricité, et par conséquent, s'en trouvant dénuée, elle tombe sur le tube par lequel elle est attirée, de même qu'elle l'était avant que de l'avoir touché ; elle y acquiert un nouveau tourbillon électrique" et est donc repoussée. Ainsi se trouve expliqué l'étrange comportement, parfois observé, de feuilles d'or dansant une sarabande entre le tube de verre et un objet proche.



Une simple remarque : Dufay parle de "tourbillon" électrique. La théorie des "tourbillons" est ici empruntée à Descartes. Pour celui-ci chaque corps céleste est entouré d'un tourbillon d'une matière subtile. Ces tourbillons en se touchant maintiennent les astres à distance l'un de l'autre et entraînent l'ensemble dans le mouvement d'horlogerie que chacun peut observer même si les rouages restent invisibles. De la même façon, les tourbillons "électriques" entourant deux corps électrisés les écarteront l'un de l'autre.



La loi de Dufay :



Fort de cette interprétation, Dufay passe alors en revue les observations antérieures et en particulier celles de Hauksbee concernant des fils de coton attachés à l'intérieur d'un globe de verre frotté et qui " s'étendent en soleil du centre à la circonférence". Tous ces faits le conduisent à une première loi de la répulsion :



"Il demeure pour constant, que les corps devenus électriques par communication, sont chassés par ceux qui les ont rendu électriques".



Par ce mécanisme de "l'attraction – contact – répulsion", (A.C.R), Dufay explique avec élégance une foule d'observations. Le phénomène doit cependant être approfondi. Il faut, en particulier, répondre à la question suivante :



Deux corps chargés d'électricité à deux sources différentes vont-ils également se repousser ?



En cherchant à le vérifier Dufay fait accomplir à l'électricité un nouveau bond en avant : "cet examen", dit-il," m'a conduit à une autre vérité que je n'aurais jamais soupçonnée, et dont je crois personne n'a encore eu la moindre idée".


Le moment est suffisamment important pour que nous lui laissions la parole :



" Ayant élevé en l'air une feuille d'or par le moyen du tube (de verre), j'en approchais un morceau de gomme copal (résine d'arbre exotique de la famille des légumineuses) frottée et rendue électrique, la feuille fut s'y appliquer sur le champ, et y demeura, j'avoue que je m'attendais à un effet tout contraire, parce que selon mon raisonnement, le copal qui était électrique devait repousser la feuille qui l'était aussi ; je répétais l'expérience un grand nombre de fois, croyant que je ne présentais pas à la feuille l'endroit qui avait été frotté, et qu'ainsi elle ne s'y portait que comme elle aurait fait à mon doigt, ou à tout autre corps, mais ayant pris sur cela mes mesures, de façon à ne me laisser aucun doute, je fus convaincu que la copal attirait la feuille d'or, quoiqu'elle fût repoussée par le tube : la même chose arrivait en approchant de la feuille d'or un morceau d'ambre ou de cire d'Espagne (cire végétale extraite de certaines espèces de palmiers) frotté.


Après plusieurs autres tentatives qui ne me satisfaisaient aucunement, j'approchai de la feuille d'or chassée par le tube, une boule de cristal de roche, frottée et rendue électrique, elle repoussa cette feuille de même, afin que je ne pus pas douter que le verre et le cristal de roche, ne fissent précisément le contraire de la gomme copal, de l'ambre et de la cire d'Espagne, en sorte que la feuille repoussée par les uns, à cause de l'électricité qu'elle avait contractée, était attirée par les autres : cela me fit penser qu'il y avait peut-être deux genres d'électricité différents."




Une hypothèse aussi hardie effraie d'abord son auteur. Si deux électricités existent réellement, comment ne les a-t-on pas encore signalées ! De nombreuses vérifications s'imposent. Dufay frotte toutes les matières dont il dispose : il faut bien se rendre à l'évidence, le phénomène est général.



" Voilà donc constamment deux électricités d'une nature différente, savoir celle des corps transparents et solides comme le verre, le cristal, etc. et celle des corps bitumineux ou résineux, comme l'ambre, la gomme copal, la cire d'Espagne, etc.


Les uns et les autres repoussent les corps qui ont contracté une électricité de même nature que la leur, et ils attirent, au contraire, ceux dont l'électricité est de nature différente de la leur."



Que dire de plus ? La loi  d'attraction et de répulsion électrique est toute entière dans ces deux phrases. Si nous cherchons son énoncé dans un manuel contemporain nous l'y retrouvons pratiquement au mot près. Reste à nommer ces deux électricités différentes :

 

" Voilà donc deux électricités bien démontrées, et je ne puis me dispenser de leur donner des noms différents pour éviter la confusion des termes, ou l'embarras de définir à chaque instant celle dont je voudrais parler : j'appellerai donc l'une l'électricité vitrée, et l'autre l'électricité résineuse, non que je pense qu'il n'y a que les corps de la nature du verre qui soient doués de l'une, et les matières résineuses de l'autre, car j'ai déjà de fortes preuves du contraire, mais c'est parce que le verre et la copal sont les deux matières qui m'ont donné lieu de découvrir ces deux espèces d'électricités."



Electricité vitrée, électricité résineuse... ces deux termes ont au moins le mérite de proposer des étalons commodes. La fin du mémoire constitue d'ailleurs un début de classement. Au registre des corps qui présentent de l'électricité résineuse nous trouvons l'ambre, la cire d'Espagne, la gomme copal, la soie, le papier. L'électricité vitrée apparaît sur le verre et aussi le cristal, la laine, la plume... mais laissons à Dufay le soin de présenter son plus bel exemple:



"Rien ne fait un effet plus sensible que le poil du dos d'un chat vivant. On sait qu'il devient fort électrique en passant la main dessus ; si on approche alors un morceau d'ambre frotté, il en est vivement attiré, et on le voit s'élever vers l'ambre en très grande quantité ; si, au contraire, on en

approche le tube, il est repoussé et couché sur le corps de l'animal".


         Ainsi débute la longue tradition des peaux de chat dans les laboratoires de nos lycées.


         Après les découvertes fondamentales que sont la conduction et l'électrisation par influence, la découverte des deux espèces d'électricité ouvre des voies prometteuses. La conclusion du mémoire manifeste l'espoir de progrès rapides.


         "Que ne devons nous point attendre d'un champ aussi vaste qui s'ouvre à la physique ? Et combien ne nous peut-il point fournir d'expériences singulières qui nous découvriront peut-être de nouvelles propriétés de la matière ? "


         Quand il écrit ces lignes, Dufay a trente cinq ans. Sa mort prématurée cinq ans plus tard lui laissera peu de temps pour tracer plus loin son sillon. Il lui aura surtout manqué le temps de défendre une théorie trop hardie pour la plupart de ses contemporains. Son disciple direct, l'Abbé Nollet, à peine plus jeune que lui, est le premier à la rejeter.


Dans son "Essai sur l'électricité des corps", il se livre à une vigoureuse critique de la théorie des deux électricités :


         " Question : Y a-t-il dans la nature deux sortes d'électricité essentiellement différentes l'une de l'autre ?

 

Réponse :  Feu M. Dufay séduit par de fortes apparences et embarrassé par des faits qu'il n'était guère possible de rapporter au même principe il y a trente ans, c'est à dire dans un temps où l'on ignorait encore bien des choses qui se sont manifestées depuis, M. Dufay dis-je, a conclu par l'affirmation sur la question dont il s'agit. Maintenant bien des raisons tirées de l'expérience, me font pencher fortement pour l'opinion contraire ; et je suis pas le seul de ceux qui ont examiné et suivi les phénomènes électriques, qui abandonne la distinction des deux électricités résineuse et vitrée".



Il propose pour sa part la théorie d'une matière électrique unique qui quitterait et rejoindrait les corps électrisés dans un double mouvement simultané.



" La matière électrique s'élance du corps électrisé en forme de rayons qui sont divergents entre eux et c'est là ce que j'appelle matière effluente ; une pareille matière vient, selon moi, de toutes parts au corps électrisé, soit de l'air atmosphérique soit des autres corps environnants et voilà ce que je nomme matière affluente ; ces deux courants qui ont des mouvements opposés, ont lieu tous deux ensemble. ".



Théorie confuse et sans réelle portée explicative mais l'Abbé Nollet est devenu le "Physicien électriseur" le plus célèbre des cours d'Europe et ses avis ont force de loi. Pendant de longues années il sera un obstacle, hélas efficace, à la diffusion de la théorie des deux électricités.



Nous ne quitterons pas Dufay sans un regret. Des découvertes de portée équivalente ne restent généralement pas anonymes. Coulomb, Volta, Galvani, Ampère, Laplace...vivent toujours dans le vocabulaire électrique à travers une loi, parfois une unité. Qui connaît encore Dufay ?


Déjà en 1893, Henri Becquerel, qui avait choisi d'en faire l'éloge à l'occasion du centenaire du Muséum d'Histoire Naturelle, devait constater cet oubli :



"Parmi les statues et les bustes qui ornent nos galeries, parmi les noms gravés sur nos monuments, j'ai cherché en vain la figure ou même le nom seulement d'un des hommes qui firent le plus de bien et le plus d'honneur au vieux Jardin des Plantes, le nom du prédécesseur de Buffon. Que dis-je, j'ai cherché jusqu'à son souvenir, et ni dans tout le muséum, ni dans Paris même, je n'ai pu trouver un portrait de Charles-François de Cisternay du Fay, intendant du Jardin Royal des Plantes".



Nous pourrions prolonger la longue période oratoire de Becquerel : "J'ai vainement cherché son souvenir dans les livres de physique, dans le nom des lois et des unités électriques...".



Est-il vraiment trop tard pour perpétuer le souvenir de ce physicien talentueux ? Rien ne nous empêche de signaler dans nos cours et dans nos manuels que la loi d'attraction et de répulsion électrique est la "loi de Dufay".



Dufay oublié, il faudra une longue suite d'observations et d'interprétations contradictoires pour que la théorie des "deux électricités" nous revienne. Le second maillon de cette chaîne est, à nouveau, Benjamin Franklin.



Benjamin Franklin (1706-1790) : un vocabulaire neuf pour un fluide unique.


         Contrairement à son prédécesseur, la renommée n'a pas oublié Franklin, "l'inventeur" du paratonnerre, avec qui nous pouvons, à présent, faire plus ample connaissance.


Dans le domaine de la physique il se décrit lui-même comme un amateur. Né à Boston en 1706, il est autodidacte. Son père est un modeste fabricant de chandelles et c'est chez son frère imprimeur qu'il peut assouvir sa passion pour la lecture. Il rencontre l'électricité par hasard vers l'âge de quarante ans. Il est alors à Philadelphie où il participe aux activités des cercles cultivés de la ville. Ceux-ci ont reçu d'Angleterre  un "coffret  électrique contenant "un tube de verre avec une note explicative sur l'emploi qu'on en peut faire" pour réaliser "certaines expériences électriques". L'auteur de cet envoi est Peter Collinson, membre de la Royal Society, l'académie des sciences anglaise. C'est un marchand Quaker de Londres entretenant des relations commerciales avec les colonies d'Amérique et qui ambitionne d'encourager les américains dans l'étude des sujets scientifiques. Il n'a pas manqué de joindre à son envoi une notice explicative : une relation des expériences spectaculaires menées en Allemagne par Bose et ses successeurs. Une "bouteille de Leyde" (nous reparlerons de ce premier condensateur électrique) est jointe au colis, elle procurera de vigoureuses secousses au "Tout-Philadelphie" pendant plusieurs mois.


         Franklin fait de ce matériel un usage plus scientifique dont il rend compte, à partir de mars 1747, sous forme de plusieurs lettres à son correspondant anglais M. Collinson, membre de la Royal Society.


Nous avons déjà évoqué la proposition qui servira de socle à toutes ses interprétation ultérieures : l'électricité est un fluide qui imprègne tous les corps. Le frottement a pour effet d'en faire passer une certaine quantité d'un corps à l'autre.



Cette nouvelle façon de percevoir l'électricité est parfaitement illustrée par la deuxième lettre qu'il adresse à Pierre Collinson. Trois personnages y sont mis en scène : A, B et C.


A est isolé sur un gâteau de cire, il frotte un tube de verre qu'il tend à B lui-même isolé. B approche la main du tube et en reçoit une étincelle. A ce moment le personnage C resté au sol, en contact avec la terre, tend les doigts vers A et B et reçoit de chacun une décharge électrique. Franklin propose une interprétation séduisante :


         "Nous supposons que le feu électrique est un élément commun, dont chacune des trois personnes susdites a une portion égale avant le commencement de l'opération avec le tube : la personne A qui est sur un gâteau de cire, et qui frotte le tube, rassemble le feu électrique de son corps dans le verre, et sa communication avec le magasin commun (la terre) étant interceptée par la cire, son corps ne recouvre pas d'abord ce qui lui manque ; B, qui est pareillement sur la cire, étendant la jointure de son doigt près du tube, reçoit le feu que le verre avait ramassé de A ; et sa communication avec le magasin commun étant aussi interceptée, il conserve de surplus la quantité qui lui a été communiquée. A et B paraissent électrisés à C, qui est sur le plancher ; car celui-ci ayant seulement la moyenne quantité de feu électrique, reçoit une étincelle de B, qui en a de plus, et il en donne à A qui en a de moins...


         De là quelques nouveaux termes se sont introduits parmi nous. Nous disons que B (ou tout autre corps dans les mêmes circonstances) est électrisé positivement et A négativement ; ou plutôt B est électrisé plus et A l'est moins, et tous les jours dans nos expériences nous électrisons les corps en plus ou en moins suivant que nous le jugeons à propos.".


         Pour la première fois, est donc exprimée la notion de charges positives et négatives. Cependant, nous l'avons compris, Franklin ignore l'interprétation de Dufay en termes de deux espèces d'électricité. Pour lui, le fluide électrique est unique, un corps chargé positivement en porte une quantité supplémentaire, un corps chargé négativement en a perdu. "Plus " et "moins" ne sont donc pas une nouvelle convention pour désigner deux électricités différentes mais ont le sens réel de gain et de perte.


Ce modèle, opposé à celui de Dufay, peut facilement convaincre. Il présente cependant de sérieuses lacunes. Comment peut-on affirmer, comme une évidence, que l'homme qui frotte le tube de verre fait passer l'électricité de son corps vers le tube ? Etait-il plus difficile d'imaginer que ce même homme arrache de l'électricité au tube frotté ?  Franklin propose une étrange hypothèse : il imagine que la "chose frottante" perd une partie de son fluide au profit de la "chose frottée". Mais qui frotte et qui est frotté dans cette opération ?



Regrettons, au passage, que Franklin n'ait pas d'abord frotté du soufre. Il lui aurait, pour la même raison, attribué une charge positive ce qui, nous le verrons par la suite, aurait simplifié la tâche des professeurs des siècles suivants.



La publication de ces premières lettres lui vaut à ce sujet un courrier critique. Un de ses correspondants lui signale le comportement différent du soufre et du verre et suggère l'existence de deux électricités. Franklin maintient son interprétation initiale. Tout au plus doit-il admettre qu'un corps peut non seulement gagner de l'électricité quand on le frotte, mais aussi en perdre. Persévérant dans son intuition première il décrète cependant que c'est bien le verre qui se charge "en plus" tandis que le soufre se charge "en moins".



Une seconde mise en garde est plus sévère. On n'étonnera personne en disant que le sujet favori de Franklin aura été le tonnerre. Il en imagine le processus de la façon suivante : la terre est la réserve, le "magasin" de l'électricité. En s'évaporant pour former les nuages, l'eau arrache au globe terrestre une certaine quantité de fluide qui lui est ensuite restituée sous forme d'éclairs. Or, après la découverte du paratonnerre, Franklin est en mesure de prélever et d'analyser l'électricité portée par les nuages. Il constate alors qu'ils sont généralement chargés "en moins". Il faudrait donc que l'eau ait abandonné de l'électricité au sol et que, dans le phénomène du tonnerre, ce soit "la terre qui frappe les nuages et non pas les nuages qui frappent la terre". Cette constatation, contraire au sens commun, chagrine son auteur et, finalement, le doute s'installe :



"Les amateurs de cette branche de la physique ne trouveront pas mauvais que je leur recommande de répéter avec soin et en observateurs exacts, les expériences que j'ai rapportées dans cet écrit et dans les précédents sur l'électricité positive et négative, et toutes celles du même genre qu'ils imagineront, afin de s'assurer si l'électricité communiquée par le globe de verre est réellement positive..."



Il faudra presque un siècle et demi pour apporter une réponse à cette question. Cette réponse, hélas, sera négative.



 Cela n'empêche pas la théorie du fluide unique de s'imposer. Elle possède, en effet, un pouvoir déductif très développé et sera la source d'un progrès rapide dans l'expérimentation. Aujourd'hui encore,  le schéma proposé par Franklin reste à la base de la plupart de nos raisonnements.




Entre Dufay et Franklin : les bas de soie de Robert Symmer.


         Robert Symmer (1707 - 1763) est écossais. Après une carrière dans la finance il se consacre aux sciences. En 1759 il publie dans les Philosophical Transactions de la Royal Society de Londres, le compte rendu d'expériences qui, malgré leur caractère étrange, lui vaudront une durable  renommée.



 Cela commence par une observation banale : des étincelles éclatent le soir quand il retire ses bas. Beaucoup de ses amis lui disent avoir fait la même observation mais, dit-il, "il n'a jamais entendu parler de quelqu'un qui ait considéré le phénomène de façon philosophique". C'est en effet une idée qui ne vient pas spontanément à l'esprit et c'est pourtant ce qu'il se propose de faire. Il décide donc de porter chaque jour deux paires de bas superposées, l'une de soie vierge l'autre de laine peignée. Heureuse initiative car alors le phénomène se renforce et surtout les deux paires de bas, quand on les sépare, manifestent une furieuse tendance à s'attirer. On peut même mesurer cette attraction en lestant l'une des paires au moyen de masses marquées de poids non négligeable.



Arrive un jour où un décès dans sa famille l'amène à porter le deuil. Il ne renonce pas pour autant à son expérience et enfile une paire de bas de soie noire sur ses habituels bas de soie naturelle. Ce soir là, au moment du déshabillage, l'effet est extraordinaire ! Jamais bas ne se sont attirés avec tant de fougue !



Quand la période de deuil touche à sa fin, et que des bas plus classiques reprennent leur place en position externe sur la jambe de Symmer, les phénomènes retrouvent leur cours plus modéré. Voici donc deux matériaux de choix pour une expérimentation sur les attractions électriques : la soie naturelle et la soie noire à laquelle le colorant a apporté de nouvelles propriétés. Pour décrire ces observations Symmer utilise d'abord le vocabulaire de Franklin mais, dans l'incapacité de décider lequel des deux bas perd ou gagne de l'électricité, il refuse un choix arbitraire et s'oriente, après avoir lu Dufay, vers l'idée de deux fluides électriques différents :



" C'est mon opinion, qu'il y a deux fluides électriques (ou des émanations de deux pouvoirs électriques distincts) essentiellement différents l'un de l'autre ; que l'électricité ne consiste pas en l'effluence et l'affluence de ces fluides, mais dans l'accumulation de l'un ou l'autre dans les corps électrisés ; ou, en d'autres termes elle consiste dans la possession d'une grande quantité de l'un ou l'autre pouvoir. Ainsi il est possible de garder un équilibre dans un corps, par contre si l'un ou l'autre pouvoir domine, le corps est électrisé de l'une ou l'autre manière".



Pour désigner ces électricités Symmer conserve les termes "positive" et "négative" qui associent une neutralité mathématique à la neutralité électrique de la matière. Tout en la sachant arbitraire il conservera également la convention de Franklin et appellera positive l'électricité qui apparaît en excès sur le verre frotté et négative celle qui s'accumule sur le soufre. C'est donc la théorie de Dufay habillée du vocabulaire de Franklin. C'est encore le modèle de nos "modernes" manuels.



Plusieurs auteurs souhaiteraient un armistice dans la querelle. C'est le cas du suédois T. Bergman qui propose en 1765, peu après la mort de Symmer, un "fluide neutre composé". Constitué de quantités égales de fluide négatif et de fluide positif, il ne se manifeste pas dans l'état normal d'équilibre. Certaines opérations, comme le frottement, le décomposent en deux fluides opposés. Cette théorie fera des adeptes après la découverte de la pile électrique.



Dufay, malgré la rigueur de sa méthode, a été rapidement oublié. Par contre, on trouve encore le nom de Symmer dans les manuels du début du XXème siècle.



Le XIXème siècle voit donc cohabiter deux modèles différents, celui du fluide unique plutôt enseigné en Angleterre et celui des deux fluides surtout utilisé en Europe continentale. Les raisons de choisir l'un ou l'autre sont souvent plus d'ordre philosophique que d'ordre pratique. Une attitude qu'illustre assez bien Charles-Augustin Coulomb (1736-1806), alors qu'il vient, en 1788, d'établir la loi mathématique de l'attraction et de la répulsion à distance.


Pour comprendre cette difficulté à choisir, il faut admettre que, certes, le modèle du fluide unique offre de sérieux avantages mais qu'il soulève également plusieurs difficultés qu'il serait trop commode de passer sous silence. Parmi elles, celle de la répulsion entre deux corps chargés négativement.



La répulsion entre deux corps portant "plus" d'électricité ne pose pas de problème à Franklin et à ses disciples : cette électricité supplémentaire forme, pensent-ils, une "atmosphère" qui entoure chaque corps chargé. Ces atmosphères, par leur simple action mécanique élastique, expliquent de façon simple la répulsion entre deux corps chargés positivement.


Le problème est différent avec deux corps ayant "perdu" de l'électricité. Aucune atmosphère ne les entoure. D'où alors provient la répulsion ? Ce phénomène qu'ils n'arrivent pas à expliquer de façon satisfaisante, sera la source d'un tourment permanent pour Franklin et ses partisans.



L'un d'entre eux, Franz Aepinus (1724-1802), professeur à Berlin puis à Saint-Pétersbourg, abandonne l'hypothèse des "atmosphères" électriques et adopte une vision "newtonienne" de l'action électrique. Celle-ci se ferait à distance, sans aucun support mécanique.



La matière "ordinaire" aurait le pouvoir d'attirer le fluide électrique jusqu'à s'en "gorger" comme une éponge et acquérir ainsi un état de neutralité électrique. Par contre, les particules de matière électrique, c'est admis, se repoussent entre elles. Deux corps chargés d'un surplus d'électricité doivent donc se repousser.



Mais pourquoi deux corps ayant perdu de l'électricité se repousseraient-ils ? Tout simplement parce que la matière ordinaire, privée d'électricité, a elle-même la propriété de répulsion à distance. Ainsi la répulsion se manifesterait entre deux corps chargés de trop d'électricité mais également entre deux corps ayant perdu du fluide électrique.



Cette "matière ordinaire", caractérisée par son volume, sa masse, son inertie, serait donc capable, à la fois, d'exercer sur elle-même des forces d'attraction à distance de nature gravitationnelle comme l'a proposé Newton et des forces de répulsion de nature électrique. Ce système assez compliqué ne pouvait convenir qu'à des franklinistes déjà convaincus. Ce n'est pas le cas de Coulomb : 

 

" M. Aepinius a supposé dans la théorie de l'électricité, qu'il n'y avait qu'un seul fluide électrique dont les parties se repoussaient mutuellement et étaient attirées par les parties des corps avec la même force qu'elles se repoussaient... Il est facile de sentir que la supposition de M. Aepinius donne, quant aux calculs, les mêmes résultats que celle des deux fluides... Je préfère celle  des deux fluides qui a déjà été proposée par plusieurs physiciens, parce qu'il me paraît contradictoire d'admettre en même temps dans les parties des corps une force attractive en raison inverse du carré des distances démontrée par la pesanteur universelle et une force répulsive dans le même rapport inverse du carré des distances". (Des deux natures d'électricité – Histoire de l'Académie Royale des Sciences – année 1788, page 671).



Il reste vrai, cependant, que le choix ne s'impose pas quand on étudie l'électricité à l'état statique. Le problème se pose-t-il différemment quand on considère la circulation de ce, ou de ces, fluide(s), c'est à dire quand on s'intéresse au "courant" électrique ?



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

 

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Cet article fera partie d'un ouvrage publié en juin 2009 par Vuibert

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