Le blog d'histoire des sciences

  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 cm^3/2.g^1/2.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 cm^1/2.g^1/2.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.

__________________________________________________________

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

__________________________________________________________

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

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 19^ème 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 19_ème 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.

____________________________________________________

____________________________________________________

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

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 19^ème 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 XX^ème siècle.

Le XIX^ème 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.

___________________________________________________

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

___________________________________________________