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6 octobre 2014 1 06 /10 /octobre /2014 08:35

Salon de l'automobile, octobre 2014. Ségolène Royal, ministre de l'écologie, est venue y faire la publicité de la voiture électrique. "J'avais un temps d'avance" affirme-t-elle, parlant de son expérimentation en Poitou-Charentes.

 

Un temps d'avance ? Vraiment ? Retour en 1881.

 


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.

 

Initiée par Adolphe Cochery (1819-1900), ministre des Postes et Télégraphes, 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.


Les moteurs électriques y 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

 

Visionnaire, Edouard Hospitalier imagine dans la revue La Nature (1882, premier semestre)  l’usage à venir des accumulateurs dans des véhicules électriques individuels :

 

"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 leur avenir et avec elle la locomotion électrique. (voir l'histoire des voitures électriques)

 

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 Niépce en 1807 à un moment où ils qui 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 intéresse à nouveau pouvoirs publics et industriels.

 

Encore faut-il que la production d'électricité ne soit pas elle même source de pollution. Or dans le même temps où la ministre de l'écologie faisait la promotion de la voiture électrique, elle déclarait son attachement aux centrales nucléaires qu'elle considérait comme "un acquis et un atout" considérant par ailleurs que "le nucléaire est le socle de la politique énergétique de notre pays".

 

La voiture électrique ne serait-elle alors qu'un alibi pour la poursuite de la politique nucléaire de la France ?

 

 

 

Au siècle de l'avant pétrole, la "transition énergétique" vers l'électricité signifiait la sortie du tout-charbon et le recours aux énergies issues de la "Nature", celles qu'aujourd'hui, dans notre époque marchande, nous désignons comme "renouvelables".

 

Louis Figuier, rendant compte de l’exposition de 1881 dans L’année Scientifique de 1882, expose ses propositions : 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. En y ajoutant l’énergie du vent et surtout l’énergie solaire on aura complété la panoplie des alternatives aux énergies fossiles qui constitueront une part essentielle de notre futur.


 

Mais pour en revenir à la locomotion, plutôt que de développer un nouveau moyen de déplacement individuel à coup de subventions publiques (1), sans doute faudrait-il consacrer celles-ci en priorité à l'amélioration et au développement des transports collectifs moins coûteux en énergie et à l'isolation de l'habitat.

 

(1) Voir de Hervé Kempf : Loi sur l’énergie : un cadeau de 40 milliards d’euros au lobby de l’auto électrique.

 

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On parle des premières voitures électriques, du règne du tout pétrole et de transition énergétique dans :

 

Histoire du carbone et du CO2.

 

 

Un livre chez Vuibert.

 

JPEG - 77.7 ko

Dérèglement climatique, fonte des glaces, cyclones, sécheresses…
 

Coupable : le dioxyde de carbone.

 

Pourtant sans ce gaz il n’y aurait aucune trace de vie sur Terre.

 

 

L’auteur nous fait suivre la longue quête qui, depuis les philosophes de la Grèce antique jusqu’aux chimistes et biologistes du XVIIIe siècle, nous a appris l’importance du carbone et celle du CO2.

 

L’ouvrage décrit ensuite la naissance d’une chimie des essences végétales qui était déjà bien élaborée avant qu’elle ne s’applique au charbon et au pétrole.

 

Vient le temps de la « révolution industrielle ». La chimie en partage les succès mais aussi les excès.

 

Entre pénurie et pollutions, le « carbone fossile » se retrouve aujourd’hui au centre de nos préoccupations. De nombreux scientifiques tentent maintenant d’alerter l’opinion publique.
 

Seront-ils entendus ?

 

 

pour feuilleter

 

 

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1 octobre 2014 3 01 /10 /octobre /2014 13:23

Deuxième fils du Duc de Devonshire, Henry Cavendish, reçoit, de son oncle, un riche héritage qui lui permet de constituer un laboratoire bien équipé qu’il utilise avec une rigueur peu commune parmi ses contemporains. ___________________________________________________________

matériel de laboratoire de Cavendish.


En 1766, il présente devant l’Association Royale de Londres une communication sur les airs factices.

 

Son exposé traite de l’air fixe tel que le définit Black, à savoir : "cette espèce particulière d’air factice qui est extrait des substances alcalines par dissolution dans les acides ou par calcination" (Philosophical Transactions, 1766, p141).

 

Si la description de l’air inflammable (notre hydrogène) constitue, par sa nouveauté, la partie la plus remarquable du travail de Cavendish, nous retiendrons qu’il multiplie également les expériences sur l’air fixe. Il l’obtient par l’action de l’esprit de sel (l’acide chlorhydrique) sur le marbre.

 

Il en étudie d’abord la solubilité dans l’eau. Elle est importante. Cette observation sera retenue quand il faudra, ensuite, expliquer la richesse de la vie aquatique. Il constate aussi, entre autres observations, que l’air fixe se dissout plus facilement dans l’eau froide. Une observation qui nous concerne dans cette époque présente où l’augmentation de la température des océans limite leur rôle de "pièges à carbone".

 

En utilisant une vessie animale, Cavendish mesure la densité de l’air fixe. Ayant constaté que l’air ordinaire est 800 fois moins dense que l’eau, il trouve que l’air fixe ne l’est que 511 fois moins. Il en déduit que l’air fixe a une densité de 1,56 par rapport à l’air ordinaire (à comparer à la valeur de 1,52 actuellement admise).

 

Le résultat mérite d’être noté, l’air fixe, plus dense que l’air se concentre donc dans les parties basses des enceintes où il est produit. Ceci explique l’asphyxie des ouvriers dans les fosses d’aisance ou des vignerons dans les cuves mal aérées, ou encore celle des animaux dans les grottes désignées comme "grotte du chien" : c’est au raz du sol que le gaz "méphitique" menace. Cette donnée intéresse également les expérimentateurs qui savent qu’ils peuvent conserver l’air fixe dans un flacon ouvert dont l’ouverture est dirigée vers le haut, disposition commode pour leurs expériences.

 

Toujours attaché à mesurer, Cavendish cherche à déterminer la quantité d’air fixe contenue dans le marbre. Le fort pourcentage de CO2 trouvé (40,7% de la masse) est proche de la valeur admise aujourd’hui.

 

Le marbre et la craie, décomposés par un acide, deviendront ainsi l’une des sources essentielles de la production d’air fixe.

 

C’est ce procédé qui sera utilisé par Priestley pour son étude de l’air fixe.

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pour aller plus loin voir :

 

 

Histoire du carbone et du CO2.

 

 

Un livre chez Vuibert.

 

JPEG - 77.7 ko

Dérèglement climatique, fonte des glaces, cyclones, sécheresses…
 

Coupable : le dioxyde de carbone.

 

Pourtant sans ce gaz il n’y aurait aucune trace de vie sur Terre.

 

 

L’auteur nous fait suivre la longue quête qui, depuis les philosophes de la Grèce antique jusqu’aux chimistes et biologistes du XVIIIe siècle, nous a appris l’importance du carbone et celle du CO2.

 

L’ouvrage décrit ensuite la naissance d’une chimie des essences végétales qui était déjà bien élaborée avant qu’elle ne s’applique au charbon et au pétrole.

 

Vient le temps de la « révolution industrielle ». La chimie en partage les succès mais aussi les excès.

 

Entre pénurie et pollutions, le « carbone fossile » se retrouve aujourd’hui au centre de nos préoccupations. De nombreux scientifiques tentent maintenant d’alerter l’opinion publique.
 

Seront-ils entendus ?

 

 

pour feuilleter

 


Voir aussi :

 

Une brève histoire du CO2. De Van Helmont à Lavoisier.

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Gérard Borvon - dans Chimie
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16 septembre 2014 2 16 /09 /septembre /2014 07:20

La COP 21, conférence internationale sur le climat, qui se tiendra à Paris en 2015 mettra à nouveau en évidence la responsabilité de l'augmentation du taux de CO2 dans l'atmosphère dans l'élévation de la température terrestre et le dérèglement climatique.

 

Mais qu'est-ce que ce CO2 ? Sait-on que la connaissance de son existence et de son rôle est récente ?

 

Un livre nous le révèle.

 

 

JPEG - 77.7 ko

Dérèglement climatique, fonte des glaces, cyclones, sécheresses…coupable : le dioxyde de carbone.

 

Pourtant sans ce gaz il n’y aurait aucune trace de vie sur Terre.

 

Histoire du carbone et du CO2.

 

Un livre chez Vuibert.

 

feuilleter

 

L’auteur nous fait suivre la longue quête qui, depuis les philosophes de la Grèce antique jusqu’aux chimistes et biologistes du XVIIIe siècle, nous a appris l’importance du carbone et celle du CO2.

 

L’ouvrage décrit ensuite la naissance d’une chimie des essences végétales qui était déjà bien élaborée avant qu’elle ne s’applique au charbon et au pétrole.

 

Vient le temps de la « révolution industrielle ». La chimie en partage les succès mais aussi les excès.

 

Entre pénurie et pollutions, le « carbone fossile » se retrouve aujourd’hui au centre de nos préoccupations. De nombreux scientifiques tentent maintenant d’alerter l’opinion publique.
 

Seront-ils entendus ?


contact : gerard.borvon@wanadoo.fr


L’introduction :

 

CO2, fatal ou vital ?

 

« CO2 - Élixir de vie et tueur du climat » est le titre d’une exposition présentée au musée Naturama de Aarau en Suisse à la charnière des années 2012 et 2013.

 

Élixir… le mot est fort. Il a été emprunté à l’arabe médiéval « al iksīr » désignant la liqueur d’immortalité des alchimistes ou la pierre philosophale supposée transformer le plomb en or.

 

Dans une première partie nous choisirons ce côté lumineux de l’histoire.
 

Nous découvrirons la suite de tâtonnements, de réussites et aussi parfois d’échecs, qui a fait prendre conscience de l’existence et du rôle de cet « élixir », le dioxyde de carbone et de ce joyau minéral, le carbone.

 

Tueur de climat. Qui peut encore le nier ? Et qui peut refuser de voir que la dangereuse augmentation du CO2 dans l’atmosphère, loin d’être une malédiction portée par ce gaz, est le résultat de l’emballement d’un monde industriel développé qui gaspille les ressources fossiles accumulées sur la planète au cours de millions d’années et les disperse sous forme d’objets inutiles et de polluants multiples.

 

Élixir ou poison, amour ou désamour… Le carbone et le dioxyde de carbone sont symboliques de cette chimie aux deux visages qui sont aussi ceux de la science en général.

 

D’une part, une science « pour comprendre », qui enthousiasme les scientifiques comme les esprits curieux par ses extraordinaires avancées dans la connaissance des phénomènes naturels. Une science qui donne la liberté de penser le monde en dehors des dogmes et qui, en même temps, peut apporter du confort à la vie quotidienne de chacune et chacun.

 

De l’autre côté, une science au service d’une « croissance infinie », décrétée par un système économique qui impose ses choix techniques et politiques. Une science et une technique dont les bénéfices pour la société sont de plus en plus occultés par les nuisances sociales et environnementales qu’elles provoquent.

 

Qui s’intéresse à l’histoire des sciences et des techniques ne peut échapper à ce double sentiment :

 

- L’émerveillement devant l’ingéniosité de l’esprit humain et les constructions intellectuelles et matérielles qu’il met en oeuvre pour comprendre son environnement et améliorer son cadre de vie.

 

- La lucidité devant le redoutable pouvoir des sciences et des techniques entre les mains de ceux pour qui elles représentent d’abord un outil pour posséder ou dominer.

 

À travers cette histoire du carbone et du CO2, nous n’échapperons pas à ces allers et retours.

 

Depuis l’Antiquité grecque jusqu’à Lavoisier nous suivrons une science dans laquelle nous serons tentés de ne reconnaître que la curiosité de l’enfance et l’enthousiasme de l’adolescence. Cette première partie nous apprendra ce que sont le carbone et le CO2 et comment ils contribuent à la vie sur cette planète.

 

Nous verrons ensuite une accélération extraordinaire des connaissances scientifiques et une multiplication de leurs applications techniques, au cours d’un xixe siècle qui s’achève avec les ondes électromagnétiques, les rayons X, la radioactivité, les premières automobiles, etc. Viendra ensuite le xxe siècle qui exploitera ces découvertes, pour le confort des sociétés développées, en même temps que se développeront leurs usages les plus redoutables.

 

Un développement qui amène à s’interroger sur la fonction des sciences dans nos sociétés. Car les scientifiques en font eux-mêmes le constat : alors qu’elle est depuis longtemps un indiscutable synonyme de progrès, à la fois pour les connaissances et pour la vie quotidienne, un désamour s’installe entre la science et la société.

 

C’est dans ces moments de doute qu’un retour aux sources peut faire revivre, à travers les écrits des auteurs des époques antérieures, les élans et les joies des premiers succès. Peut-être trouverons-nous également, dans ces expériences passées, des aides pour imaginer un nouvel avenir des sciences dans une société qui fonctionnerait sur d’autres bases que celles d’une croissance matérielle effrénée.

 

Note : nous avons choisi de scinder ce texte en cinq parties qui s’enchaînent mais qui pourraient également se lire de façon séparée.


 


Table des matières

 

CO2, fatal ou vital ?.

 

Première partie. D’Empédocle à Lavoisier, des quatre éléments à la naissance du carbone.

 

Au début étaient les quatre éléments.

Un modèle d’une grande puissance évocatrice.

Des quatre éléments aux quatre humeurs.

L’intermédiaire alchimique.

 

Jean-Baptiste Van Helmont, l’eau, la croissance des végétaux
et le « gas silvestre ».

L’alchimiste blasphémateur.

Les Anciens se sont trompés : il n’existe qu’un seul élément !.

Lavoisier et la contestation de la transmutation de l’eau en terre.

Au sujet du « gas silvestre » et de la naissance du mot « gaz ».

Hommage rendu à Van Helmont : l’adoption du mot « gaz ».

 

Georg Ernst Stahl, de l’élément feu jusqu’au phlogistique.

De l’alchimie à la chimie.

Du « principe sulfureux » au « principe inflammable » : le phlogistique.

Le charbon et les métallurgistes.

Un modèle diffusé par les chimistes français.

Quand Lavoisier était encore phlogisticien.

 

La course aux airs.

Stephen Hales (1677-1761). Quand l’air se transforme en pierre !.

Joseph Black (1728-1799) et l’air fixe.

Henry Cavendish (1731-1810), de l’air fixe à l’air inflammable
et autres airs factices.

Joseph Priestley (1733-1804), air fixe, air nitreux, air déphlogistiqué
et autres airs.

Les plantes ne fonctionnent pas comme prévu !.

Priestley mesure l’importance de l’observation..

Priestley et l’air fixe : poison ou remède ?.

Vraiment bizarre ?.

 

Priestley, Scheele, Lavoisier. De l’air déphlogistiqué à l’air du feu
et à l’oxygène. . .

Priestley (1733-1804), le phlogistique et l’air déphlogistiqué.

Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) et l’air du feu.

Lavoisier (1743-1794), de l’air vital au principe oxygine et à l’oxygène.

1774-1777 : l’air est un mélange de deux fluides.

1777 : le phlogistique n’existe pas.

Quand l’air vital devient « air acidifiant » : le principe oxygine.

Quand naît l’oxygène.

 

Lavoisier. De l’air fixe à l’acide crayeux aériforme
et au gaz carbonique. . .

Quand l’air fixe devient acide crayeux aériforme..

De l’acide crayeux aériforme à l’acide charbonneux.

Quand l’acide charbonneux devient gaz acide carbonique
et quand naît le carbone.

 

De l’offensive anticarbone à la victoire de CO2.

Une réception « nuancée » de la part des académiciens français.

Des mots durs, barbares, qui choquent l’oreille. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

La guerre est déclarée.

Oubliez ces carbonates, ces carbures….

Et pourtant carbone, carbonique et carbonates se sont imposés.

Symboles et équations chimiques.

 

O2 et CO2 : le jour et la nuit des plantes. . .

Charles Bonnet et l’alimentation des plantes par leurs feuilles. . . . . . . .

Jan Ingenhousz : le soleil rythme la vie des végétaux.

La vie nocturne des plantes.

Comme les animaux, jour et nuit, les plantes respirent.

Senebier, ou comment les plantes s’alimentent.

Lavoisier et l’apport de la chimie.

Aujourd’hui.

Et avant-hier ?.

 

O2, CO2 et la respiration des animaux. . .

Lavoisier et la respiration animale.

Savoir mesurer la chaleur.

Après l’unité, l’appareil de mesure. .

Les cochons d’Inde et la respiration.

Lavoisier, Seguin et la respiration humaine.

 

Deuxième partie. Quand la chimie était verte. . .

 

Quand la chimie naissait des plantes. . .

Distiller les bois, les feuilles, les graines, les racines.

Les produits précieux des résines.

Une résine élastique : le caoutchouc.

Retour aux sources.

 

Au sujet des charbonniers et du charbon de bois. . .

L’antiquité du charbon de bois.

L’industrie métallurgique et la grande époque des charbonniers.

Les chimistes et le charbon.

Lavoisier, le charbon et la poudre noire.

Coup d’oeil sur le charbon de bois aujourd’hui.

Mais alors, où est le problème ?.

 

Du bois pour les gazogènes. . .

Philippe Lebon invente le gazogène.

Gazogène à bois, le retour.

Retour aux sources ?.

 

Des plastiques sans houille et sans pétrole. . .

Du coton-poudre au collodion.

Du collodion au Celluloïd.

Le succès de la soie artificielle.

Et aujourd’hui ?.

 

Troisième partie. Quand le charbon sort de terre. . .


Le charbon et la vapeur au siècle de l’industrie. . .

Avec Denis Papin, le siècle de la vapeur commence en Angleterre.

Newcomen, Watt : de la « pompe à feu » à la machine à vapeur.

En France, de la révolution sociale à la révolution industrielle.

Le versant noir du progrès.

De la mine aux tranchées.

La colonisation, l’autre guerre.

 

Quand le gaz de houille éclairait la ville. . .

Les pionniers britanniques.

L’éclairage au gaz en France.

Quand les « becs de gaz » investissent le paysage urbain.

Le gaz menacé par l’électricité.

La lumière électrique à Châteaulin quand Paris l’attend encore :
beau symbole !.

 

Le goudron de houille et le grand oeuvre des chimistes du xixe siècle.

Le merveilleux goudron.

L’affaire de la garance.

La conquête de l’indigo.

La suprématie allemande.

Une industrie « précieuse pendant la guerre ».

 

Quatrième partie. Asphalte, bitume et pétrole.

 

Asphalte, bitume et pétrole avant l’automobile.

Asphalte et bitume sous Louis XV.

L’asphalte dans les villes de la Belle Époque.

Le pétrole, huile de la pierre.

Quand le pétrole était un médicament.

Quel usage pour ce pétrole ?.

Le pétrole du Caucase.

Le pétrole d’Amérique.

Et en Europe ?.

Le pétrole dans le monde en 1889.

La querelle des plutoniens et des neptuniens.

 

Premiers pipe-lines, premiers pétroliers, premières raffineries,
premiers accidents.

Le pétrole, un produit d’avenir ?.

 

Et l’automobile fut.

L’automobile et la vapeur.

Quand la fée électricité animait les tramways, les fiacres et les
automobiles.

L’autre moteur.

La victoire du pétrole.

1900 : le big-bang automobile.

 

Le pétrole d’après.

 

Pour conclure.

 

Le carbone et la vie.

La chimie devient « organique ».

De la synthèse organique à la génétique.

Le carbone, du big-bang à l’Homo sapiens.

Naissance de la Planète bleue.

Quand s’assemblent les molécules du vivant.

 

La science face au désamour.

Un débat à la Sorbonne.

Débattre de la science et de la vie il y a cent ans ?.

Débattre il y a cinquante ans ?.

Lanceurs d’alerte.

Retour à la Sorbonne.

Un problème de démocratie.

Cultiver les sciences.

Rapide plaidoyer pour l’histoire des sciences.

Les sciences, remède à la technocratie ?.


Bibliographie.

 

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Gérard Borvon - dans Chimie
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14 août 2014 4 14 /08 /août /2014 12:14

Nous avons rencontré Hauksbee en 1705 quand, en frottant dans l’obscurité un globe de verre dans lequel il avait fait le vide, il y faisait apparaître une étrange lueur qui semblait suivre le doigt qui s’en approchait.

 

Plus tard, l’abbé Nollet reprenait ces expériences dans une mise en scène qui leur assurait une durable publicité.



Expérience des vases lumineux réalisée par l’abbé Nollet


Sa méthode était plus efficace. Au lieu de frotter le récipient de verre, il l’électrisait en faisant pénétrer, à son autre extrémité, le classique canon de fer, suspendu par des cordons de soie, qui recevait l’électricité du globe de la machine électrique.

 

L’expérience était réalisée dans l’obscurité. Laissons parler Nollet :

 

"Si vous portez la main au robinet de métal qui tient à l’un des goulots du matras purgé d’air ou que vous approchiez vos doigts de la surface du verre tandis qu’on électrise le conducteur : vous verrez dans l’intérieur du vaisseau plusieurs jets d’une matière très lumineuse ; et si vous le touchez, vous apercevrez une pareille matière qui se répand dans son épaisseur, à peu près comme une huile imprégnée de phosphore." (Nollet, leçons de physique expérimentale). Notons que le terme de phosphore ne fait ici nullement référence à l’élément chimique dont la découverte en Europe date de la fin du 17ème siècle mais de façon générale, en accord avec l’étymologie grecque, à tout "porteur de lumière".

 

Pour Nollet, l’expérience indique qu’il est "très probable que la matière électrique est la même que celle du feu et de la lumière".

 

Bien plus tard, Faraday s’intéresse à son tour au phénomène. Il utilise un tube muni de deux électrodes à ses extrémités et dans lequel il peut faire le vide. Quand le vide n’est pas poussé à son maximum, une lueur l’emplit dès que les électrodes sont reliées à une source de haute tension.

 

Poussant plus loin le vide, il observe une frange sombre dans la colonne lumineuse du côté de la cathode. Cette zone sans lumière s’élargit quand le vide augmente. Cette observation sera mise à profit par son compatriote William Crookes.

 

William Crookes et la matière radiante.

 

L’étude des décharges dans les gaz raréfiés prend une nouvelle vigueur avec William Crookes (1832-1919). Le savant britannique est déjà célèbre pour avoir découvert un nouvel élément, le Thallium, et aussi pour son radiomètre.

 

L’appareil est encore commercialisé, souvent sous forme de curiosité. C’est un rotor léger, constitué par un ensemble de quatre plaques carrées dont l’une des faces est blanche et l’autre noire. Placé dans une ampoule vide de son air, le rotor tourne sous l’action de la lumière. Crookes en avait fait un usage scientifique, en particulier pour la mesure des radiations invisibles comme les radiations infrarouges.

 

Crookes accepte la théorie cinétique des gaz proposée par Bernoulli. Celui-ci considère les gaz comme formés de molécules se déplaçant en ligne droite mais changeant rapidement de direction à l’occasion des chocs avec les autres molécules ou les parois des vases les contenant. Dans les tubes de Faraday ou de Geissler, Crookes fait l’hypothèse que les molécules se chargent d’électricité au contact de la cathode et en sont violemment repoussées.

 

Si le vide est insuffisant elles rencontrent rapidement d’autres molécules, la violence du choc se traduisant par une émission lumineuse.

 

Si on pousse le vide, la trajectoire rectiligne des molécules, perpendiculairement à la surface de l’électrode, s’allonge et un espace sans lumière apparaît. Celui qui avait déjà été observé par Faraday. Un vide très poussé, comme celui auquel parvient Crookes, fait même disparaître tout effet lumineux à l’intérieur du tube. Seul est visible l’impact du faisceau sur le verre qui s’éclaire à l’endroit où il le rencontre.

 

Pour mettre en évidence l’existence de ce jet invisible, supposé être constitué de molécules, Crookes a l’idée de leur opposer des obstacles. Un montage célèbre est celui d"une roue à palettes montée sur des rails de verre. Soumise au rayonnement, elle tourne et avance. On peut choisir le sens du mouvement en choisissant l’électrode alimentée

 

On peut aussi placer dans le tube un écran fluorescent, par exemple recouvert de sulfure de carbone. Placé légèrement incliné le long du trajet du faisceau, il le rend visible. Le montage est encore présent dans nos lycées pour l’étude des rayonnements cathodiques.

 

Autre méthode : présenter sur le trajet du faisceau un obstacle dont l’ombre se verra sur l’extrémité élargie du tube. Le tube muni d’une croix inclinable à volonté deviendra un équipement classique des laboratoires.

 

Il résulte de cette étude une observation qui mériterait explication : les particules suivent un trajet rectiligne toujours perpendiculaire à la surface de la cathode. La place de l’anode n’a aucune influence. Il ne s’agit donc pas d’un "courant électrique" passant d’une électrode à l’autre mais d’un phénomène de type nouveau qui sera désigné par le terme de "rayonnement cathodique".

 

Le 16 janvier 1880 Crookes exécute ses expériences devant la Société française de physique. Elles laissent les spectateurs perplexes.

 

Le rayonnement est dévié par l’approche d’un corps chargé d’électricité et se comporte comme constitué de particules chargées d’électricité négative. Mais il est également dévié par un aimant comme le serait un courant électrique. Alors, flux de charges électriques ou courant d’électricité ?

 

N’oublions pas qu’en France les deux notions sont très différentes : un courant électrique est constitué par le déplacement simultané et en sens inverse des deux fluides. L’un positif, l’autre négatif.

 

Plus étrange. Deux pinceaux parallèles sont créés à partir de deux cathodes voisines. Vont-ils se repousser car constitués de particules de même charge ou s’attirer comme le font deux courants électriques de même sens ? Ils se repoussent, ce sont donc des particules chargées d’électricité et non des courants électriques tels que pouvait les décrire Ampère.

 

Mais quel type de particules ? Ces expériences se font dans des tubes où le vide est extrême. Crookes a mis au point des machines "pneumatiques" qui permettent de faire un vide particulièrement poussé. En les faisant fonctionner longtemps (jusqu’à quinze jours) il arrive à un vide qu’il estime à un millionième d’atmosphère. Les particules chargées ne peuvent donc pas être des molécules d’air résiduel. Crookes imagine un quatrième état de la matière, la "matière radiante", dont une des caractéristiques sera cette propagation rectiligne à partir de la cathode

 

Il faudra attendre la fin du siècle avec J.J. Thomson et la découverte de l’électron pour trouver une explication du phénomène acceptable par l’ensemble du monde scientifique. Les applications seront alors nombreuses : ampoules à vide équipant les premiers appareils électroniques, tubes cathodiques des oscilloscopes, des écrans de télévisions et des premiers ordinateurs, etc…

 

Le tube cathodique sera aussi à l’origine de découvertes aussi importantes que le rayonnement X et la radioactivité.

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13 août 2014 3 13 /08 /août /2014 15:30

 

Physicienne reconnue et personnalité politique de premier plan en Tunisie, Faouzia Farida Charfi offre avec ce livre un vibrant plaidoyer pour la science et l’autonomie de la pensée.

Puisant dans l’actualité récente mais aussi dans l’histoire, elle retrace ici les relations entretenues par l’islam et la science. Des relations qui, après un véritable âge d’or des sciences arabes et la période réformiste du XIXe siècle, sont désormais marquées du sceau de l’ambiguïté : oscillant entre le rejet et la fascination, les islamistes se livrent aujourd’hui à des tentatives pour concilier les théories scientifiques et le Coran, dénaturant ainsi et la science et l’islam sous prétexte de modernité.

Faouzia Farida Charfi analyse aussi le créationnisme pour dénoncer l’alliance objective des fondamentalismes – anglo-saxons ou musulmans – et le sort qu’ils réservent aux femmes. Elle rappelle enfin qu’on peut les combattre et ouvre quelques pistes en ce sens.

Un appel pour que la Tunisie se donne les moyens de son avenir.

Faouzia Farida Charfi est physicienne et professeur à l’Université de Tunis. Militante de la première heure, dès la présidence de Habib Bourguiba, elle a été nommée secrétaire d’État à l’Enseignement supérieur dans le gouvernement provisoire issu de la révolution du 14 janvier 2011. Elle en a démissionné peu après pour reprendre sa liberté de parole et d’action.

 

Un extrait de la conclusion de son ouvrage :

 

" ... la science est basée sur l'analyse de l'observation des faits de la nature ou des résultats d'expérience et sur leur traduction en termes de théories dont la validité peut constamment être remise en cause. Elle réunit autour d'elle un monde parlant le même langage et offre un cadre de discussions à une échelle autre que nationale et dans une certaine mesure, à l'abri des clivages idéologiques et politiques.

 

Le statut que la science a acquis lui vient de la persévérance des savants, de leur travail souvent solitaire, de leur résistance aux attaques dont ils ont été l'objet, de leur enthousiasme aussi par rapport au bonheur que procure la découverte. Ils laissent un legs scientifique dont la richesse est le fruit d'un questionnement libre et sans limite, excluant les dogmes. "

 

Et un autre message qui s'adresse à la jeunesse tunisienne mais qui pourrait s'adresser à la jeunesse d'Europe et en particulier de la France qui voit son enseignement scientifique déserté par les étudiants.

 

La jeunesse tunisienne "pourrait être en mesure de créer de nouveaux concepts scientifiques générant de nouvelles avancées dans différents domaines, tels que l'informatique, la biologie, les énergies renouvelables, et contribuer à la construction du savoir scientifique.

 

Cela implique que le savoir ne soit pas conçu comme un produit "utile", mais comme l'aventure d'un esprit libre et critique. Cela implique que la science entre par la grande porte, afin d'être appropriée, valorisée et enrichie. Et non pas des bouts de science repris, déformés, mis en avant pour donner un vernis de modernisme, l'illusion d'être dans le monde actuel de la technologie. Ces bouts de sciences ne peuvent être générateurs de connaissances.

 

Un long chemin reste encore à faire dans l'ensemble du monde arabe. Ma conviction est qu'il vaut la peine d'être parcouru malgré les obstacles et je nourris l'espoir que bientôt les pays arabes se hisseront au rang de ceux qui ont accès au monde de la connaissance et contribueront au savoir universel."

 

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Suivre l'interview de Faouzia Farida Charfi

 

Ecouter également sur RFI :

Peut-on espérer une révolution du savoir en Tunisie ?

 

 

 

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13 août 2014 3 13 /08 /août /2014 12:17

En ce début d'année 1896, les rayons X sont au centre des débats des sociétés savantes de toute l'Europe. En France, l'Académie des Sciences s'intéresse de plus près aux corps "phosphorescents", c'est-à-dire ayant la propriété, qui est celle du phosphore blanc, d'émettre de la lumière après y avoir eux-mêmes été exposés.

 

Il a déjà été remarqué que certains corps phosphorescents émettaient une lumière capable d'impressionner une plaque photographique à travers son enveloppe de papier. La phosphorescence serait-elle liée à une émission des mêmes rayons X que ceux découverts par Röntgen ? Telle est la question que se posent plusieurs académiciens. Parmi eux Henri Becquerel.

 

Henri Becquerel : la découverte.

 

Henri Becquerel (1852-1908) est issu d'une lignée de physiciens. Son grand-père, Antoine Becquerel, est considéré comme le découvreur, en 1839, de l'effet photovoltaïque dont le principe est utilisé dans les capteurs solaires qui devraient produire une part de plus en plus importante de l'énergie électrique "renouvelable" de notre futur. Son père, Alexandre Edmond, s'est attaché à l'étude du magnétisme et de la phosphorescence. Tous deux académiciens, ils occupèrent le poste de professeur au muséum national d'histoire naturelle. Henry Becquerel prendra leur succession dans ces postes et fonctions.

 

Ancien élève de l'Ecole Polytechnique, il y est professeur lui-même depuis 1895. Dans cette période de son activité de recherche, il s'intéresse à la phosphorescence, reprenant ainsi l'un des sujets d'étude de son père, et en particulier à celle des sels d'uranium.

 

L'Uranium a été découvert dans la pechblende en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth et isolé en 1841 par Eugène Peligot. Difficile à obtenir en tant que métal il est essentiellement utilisé pour les propriétés colorantes de ses sels, en particulier pour colorer le verre. Il est aussi remarquable pour la phosphorescence de certains de ses composés.

 

Lors de la séance de l'Académie des Sciences du 2 mars 1896, qui suit de très près l'annonce de la découverte des rayons de Röntgen, plusieurs intervenants font état de rayons pénétrants émis par certains verres fluorescents.

 

Henri Becquerel qui utilise un sel phosphorescent de sulfate double d'uranium et de potasse affirme avoir observé des radiations qui, non seulement sont susceptibles de traverser certains métaux, tels que l'aluminium et le cuivre, mais sont encore actives 150 heures après que le sel ait été exposé à la lumière.

 

Il imagine que le sel d'uranium agit comme condensateur d'un rayonnement présent dans la lumière incidente et qui serait ensuite lentement restitué. En cette fin de 19ème siècle le principe de la conservation de l'énergie est solidement établi. L'énergie radiante qui provient des sels d'uranium doit nécessairement provenir d'une source externe.

 

Lors de la séance du 9 mars Becquerel démontre que ces radiations déchargent les corps électrisés et aussi qu'elles peuvent être réfléchies. A la séance du 23 mars il rend compte de l'efficacité du nitrate d'urane, autre sel d'uranium, comme "condensateur de lumière".

 

A la séance du 30 mars 1896 il fait connaître les différences qu'il a observées entre les "radiations de phosphorescence" et les radiations Röntgen. Pour évaluer leurs activités respectives il utilise un électromètre et des plaques photographiques. Il constate que les "radiations phosphorescentes" traversent aisément le cuivre et le platine qui arrêtent les rayons X. De même le quartz totalement opaque aux rayons X se laisse facilement traverser par les radiations issues des sels d'uranium. Pour résumer : les radiations issues des sels d'uranium sont bien plus pénétrantes que les rayons X !

 

Séance du 18 mai : Becquerel annonce que tous les sels d'uranium, et le métal pur lui-même, ont la propriété de rayonner qu'ils soient phosphorescents ou non.

 

Autre annonce spectaculaire : des sels d'uranium contenus dans des enveloppes de plomb épaisses de plusieurs millimètres, hermétiquement closes et enfermées depuis plus de trois mois dans des boîtes de carton noir placées elles mêmes dans une chambre noire, agissent sur des plaques photographiques disposées sur les enveloppes de plomb. Ni la fluorescence, ni l'exposition à la lumière ne sont donc nécessaires pour observer le rayonnement de l'uranium et de ses sels.

 

Séance du 23 novembre 1896. Becquerel n'a pas fait d'autre communication depuis la réunion du 18 mai. Il s'est occupé à vérifier ses premières observations. La relation qu'en donne la revue La Nature témoigne de la rigueur de sa démarche :

 

"M. Becquerel confirme aujourd'hui ses premières expériences en faisant connaître les résultats fournis par des sels d'urane enfermés depuis le mois de mars dans une double enveloppe de plomb, placée elle-même dans la chambre noire. La boîte intérieure est divisée en deux compartiments par un papier noir tendu parallèlement au fond de la boîte. Une disposition convenable permet de glisser, au-dessous de cette feuille de papier, un châssis muni d'une plaque photographique. Enfin les substances étaient posées sur une plaque de verre, au-dessus du papier noir ; elles étaient de plus enfermées dans des petits tubes, en forme de cloche, scellés à la paraffine sur la lame de verre, de façon à éviter l'action possible des vapeurs. Il a développé la plaque le 7 novembre, après huit mois. L'épreuve montre très nettement l'effet des radiations".

 

Ce luxe de précautions contraste avec la légende, si souvent répétée, d'un Becquerel découvrant la radioactivité par hasard en développant une plaque photographique oubliée dans un tiroir à proximité d'un minerai d'uranium.

 

Cette année 1896 mérite d'être marquée d'une pierre blanche. Les rayons X sont à peine découverts qu'un nouveau rayonnement, celui de l'uranium, révèle à la fois son existence et son originalité.

 

Le phénomène attend, à présent, d'être expliqué.

 

Marie Curie : premières hypothèses.

 

Marie Sklodowska, jeune polonaise récemment mariée à Pierre Curie, a choisi de prendre, pour sujet de thèse, la découverte de Becquerel. Elle dispose pour cela d'un précieux instrument : l'électromètre à quartz piézoélectrique mis au point par Pierre Curie.

 

La piézo-électricité a été découverte en 1880 par Pierre Curie et son frère Jacques qui constataient que certains cristaux produisaient un courant électrique lorsqu'ils étaient soumis à une action mécanique, pression ou étirement. Le quartz, qui est aujourd'hui l'élément essentiel des montres et horloges électroniques, en était le meilleur exemple.

 

Nous ne décrirons pas le fonctionnement de l'électromètre à quartz. Disons simplement qu'il permet de mesurer, avec une extrême précision, les effets électriques du rayonnement, déjà décrits par Becquerel. Sa possession était un élément essentiel pour qui s'attaquait à l'étude du nouveau rayonnement.

 

A partir d'avril 1898 Marie Curie fait connaître ses premiers résultats. Une note sur les "Rayons émis par les composés de l'uranium et du Thorium" est présentée par Lippmann à la séance du 12 avril 1898 de l'Académie des sciences.

 

" J'ai étudié, écrit-elle, la conductibilité de l'air sous l'influence des rayons de l'uranium, découverts par M. Becquerel, et j'ai cherché si des corps autres que les composés de l'uranium étaient susceptibles de rendre l'air conducteur de l'électricité." Recherche logique, de même que "l'électricité" a pris son essor quand Gilbert a pu montrer qu'elle n'était pas uniquement la propriété de l'ambre, il importait de savoir, avant toute étude complémentaire, si la "radioactivité" (l'expression est de Marie Curie) ne se limitait pas à l'uranium.

 

Dans le laboratoire de l'Ecole municipale de Physique et de Chimie de Paris où elle mène ses recherches, elle avait pu rassembler une collection de sels et d'oxydes prêtés par différents laboratoires de recherche parisiens. Ses mesures confirment d'abord la propriété de l'uranium : "Tous les composés de l'uranium étudiés sont actifs et le sont, en général, d'autant plus qu'ils contiennent plus d'uranium".

 

Elles montrent surtout que l'uranium n'est pas un cas isolé : "Les composés du Thorium sont très actifs. L'oxyde de Thorium dépasse même en activité l'uranium métallique". Et même : " les rayons émis par le thorium sont plus pénétrants que ceux émis par l'uranium". Il existe donc dans la nature une nouvelle classe de corps, les corps "radioactifs", qui méritent d'être recherchés et étudiés.

 

Une observation annonce d'ailleurs de nouvelles découvertes : "Deux minéraux d'uranium : la pechblende (oxyde d'urane) et la chalcolite (phosphate de cuivre et d'uranyle) sont beaucoup plus actifs que l'uranium lui-même. Ce fait est très remarquable et porte à croire que ces minéraux peuvent contenir un élément beaucoup plus actif que l'uranium."

 

Sans attendre les résultats de cette recherche, Marie Curie émet aussi une première hypothèse concernant le mécanisme de la radioactivité qui s'inspire encore de la phosphorescence : "on pourrait imaginer que tout l'espace est constamment traversé par des rayons analogues aux rayons de Röntgen mais beaucoup plus pénétrants et ne pouvant être absorbés que par certains éléments à gros poids atomique, tels que l'uranium et le thorium." Franchir le pas et imaginer un rayonnement tout simplement issu du minéral est encore trop difficile.

 

Le Polonium.

 

Le 18 juillet 1898 une nouvelle communication "Sur une substance nouvelle radio-active", contenue dans la pechblende" signée de Pierre et de Marie Curie est lue par Becquerel à la séance de l'Académie des Sciences. Pour la première fois l'expression "substance radio-active" apparaît dans le langage scientifique. Le concept de "radioactivité" est né.

 

Si les auteurs n'hésitent pas à baptiser ainsi une propriété qui ouvrira une nouvelle branche de la physique c'est que leurs récentes études les ont mis en face d'une réalité nouvelle.

 

Ils rappellent d'abord l'observation de Marie Curie sur l'activité des certains minerais d'Uranium plus élevée que celle du métal lui-même et sur l'hypothèse d'y trouver un nouveau corps. : "Nous avons cherché à isoler cette substance dans la pechblende, et l'expérience est venue confirmer les prévisions qui précèdent" annoncent-ils.

 

Leur méthode consiste à faire subir au minerai une laborieuse série de réactions classiques de purification. La liste détaillée de ces opérations prouve, à la fois, l'obstination et la compétence des deux auteurs et de leur équipe. La série de manipulations aboutit à un mélange ne contenant plus que du Bismuth associé à un nouveau corps radioactif dont les propriétés chimiques, voisines de celles du Bismuth, ne permettent plus l'extraction par les procédés chimiques classiques.

 

Par un procédé physique pratiqué sur les sulfures du mélange, ils obtiennent finalement la séparation des deux corps : " On chauffe les sulfures dans le vide dans un tube de verre de Bohême vers 700°. Le sulfure actif se dépose sous forme d'enduit noir dans les régions du tube qui sont à 200°-300°, tandis que le sulfure de bismuth reste dans les parties chaudes." Dès ces premières manipulations les procédés d'enrichissement en matières radioactives sous forme chimique ou sous forme physique annoncent les méthodes qui seront développées à l'avenir.

 

Le résultat est probant : "En effectuant ces diverses opérations, on obtient des produits de plus en plus actifs. Finalement nous avons obtenu une substance dont l'activité est environ 400 fois plus grande que celle de l'uranium.

Nous avons recherché, parmi les corps actuellement connus, s'il en est d'actifs. Nous avons examiné des composés de presque tous les corps simples ; grâce à la grande obligeance de plusieurs chimistes, nous avons eu des échantillons des substances les plus rares. L'uranium et le thorium sont seuls, franchement actifs, le tantale l'est peut-être très faiblement.

Nous croyons donc que la substance que nous avons retirée de la pechblende contient un métal non encore signalé, voisin du Bismuth par ses propriétés analytiques. Si l'existence de ce nouveau métal se confirme, nous proposons de l'appeler polonium, du nom du pays d'origine de l'un de nous."

 

A n'en pas douter, les auteurs ont déjà l'assurance qu'un nouveau corps, fortement radioactif, viendra s'inscrire dans le tableau des éléments, proposé par le Russe Mendeleïev trente ans plus tôt. La découverte de la pile électrique par Volta puis de l'électrolyse par Nicholson, Carlisle et Davy avaient permis la découverte d'une importante quantité de nouveaux corps. Celle de la radioactivité annonce-t-elle une moisson aussi riche ? Si tel devait être le cas, Pierre et Marie Curie tiennent à en partager le mérite avec celui qui, le premier, avait découvert la propriété de l'Uranium : "Qu'il nous soit permis de remarquer que si l'existence d'un nouveau corps simple se confirme, cette découverte sera uniquement due au nouveau procédé d'investigation que nous fournissent les rayons de Becquerel."

 

Le Radium.

 

Après la découverte du polonium un travail encore plus exténuant attend le couple qui soupçonne l'existence d'un autre corps radioactif dans la pechblende. Nous ne décrirons pas cette aventure qui aboutit à la découverte du corps que les Curie désigneront du nom de radium. Un métal dont l'activité est d'abord estimée à 100 000 fois celle de l'uranium avant que le chiffre de 1 million de fois soit même proposé.

 

La découverte de nouveaux corps se poursuit donc mais la nature du rayonnement reste quant à elle un mystère. Le Radium, très radioactif, offre sur ce plan de nombreuses possibilités. Pierre et Marie Curie découvrent qu'il émet deux rayonnements. L'un est dévié par un champ magnétique, l'autre ne l'est pas.

 

Le rayonnement non dévié (en fait, il l'est, mais très faiblement) est rapidement absorbé par un obstacle matériel. Dans une communication présentée par Becquerel à la séance de l'Académie des sciences du 8 janvier 1900 "sur la pénétration des rayons de Becquerel non déviables par le champ magnétique", Marie Curie montre que ce rayonnement a une loi d'absorption singulière qui "rappelle plutôt la manière de se comporter d'un projectile, qui perd une partie de sa force vive en traversant des obstacles." Rutherford étudiera les propriétés de ces particules massives, chargées d'électricité positive, et désignera leur rayonnement sous le nom de "rayonnement α (alpha)". Plus tard sera découvert le "rayonnement γ (gamma)", analogue au rayonnement X mais encore plus pénétrant.

 

Le 5 mars 1900, Pierre et Marie Curie font lire par Becquerel à la séance hebdomadaire de l'Académie des Sciences un mémoire "Sur la charge électrique des rayons déviables du radium". Ayant constaté que "les rayons déviables du radium sont chargés d'électricité négative", ils établissent une analogie avec les rayonnements cathodiques dont le physicien français Jean Baptiste Perrin a montré, en 1895, qu'ils étaient constitués de particules négatives :

 

"Ainsi, écrivent-ils, dans le cas des rayons déviables du radium, comme dans le cas des rayons cathodiques, les rayons transportent de l'électricité. Or jusqu'ici, on n'a jamais reconnu l'existence de charges électriques non liées à la matière pondérale. On est donc amené, à considérer comme vraisemblable que le radium est le siège d'une émission constante de particules de matière électrisée négativement, capables de traverser sans se décharger des écrans conducteurs ou diélectriques.".

 

Ce rayonnement de particules négatives sera ultérieurement désigné sous le nom de "rayonnement β (bêta)".

 

Au moment même où Pierre et Marie Curie établissent l'analogie entre le rayonnement β du radium et les rayons cathodiques, on découvre en France les travaux du britannique Joseph John Thomson sur le rayonnement cathodique qui mettent en évidence l'existence de cette particule, commune aux deux rayonnements, et ses propriétés.

 

Ceux-ci lui vaudront de se voir attribuer la paternité de la découverte de la particule d'électricité négative qui sera plus tard désignée par le terme d'électron.

 

 

 

 

 

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13 août 2014 3 13 /08 /août /2014 08:43

Gérard Borvon.

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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.

 


cristaux de magnétite.


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 : : La foudre, l’électricité et le magnétisme chez les anciens. Paris 1866).

 

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.

 


aimant brisé de Pierre de Maricourt

 


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.

 


Pour Gilbert la terre est un 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.

 


montage de coulomb pour l’étude du magnétisme.

voir


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


 

De l’aimant à l’électro-aimant.

 

Souvenons nous que, depuis l’année 1600, Gilbert a dressé une frontière entre l’ambre et l’électricité d’une part, l’aimant et le magnétisme d’autre part.

 

La frontière était-elle hermétique ? Pas totalement. D’abord parce qu’il est difficile de ne pas imaginer la même cause à des actions aussi visiblement proches que les attractions électriques, magnétiques et même de gravitation. Encore aujourd’hui, la grande "unification" est le rêve des physiciens.

 

Seconde raison : l’observation commune. Avant même que soit connue la nature électrique de la foudre, on savait qu’un éclair pouvait faire bouger l’aiguille d’une boussole et même, parfois, supprimer ou inverser son aimantation. La bouteille de Leyde permettait d’ailleurs de vérifier aisément le phénomène. "Je ne me souviens pas si je vous ai mandé" écrivait Franklin à son ami Cadwallader Colden, en 1751, "que j’ai changé les pôles d’une aiguille aimantée et donné le magnétisme et la polarité à des aiguilles qui n’en avaient point" et ceci en utilisant de volumineuses bouteilles de Leyde de 8 à 9 gallons (environ trente litres).

 

Quand, en 1800, Volta fait connaître sa pile, des espoirs renaissent. Comment ne pas voir dans cette colonne présentant deux pôles l’équivalent d’un barreau aimanté.

 

L’analogie entre les fluides électriques et magnétiques redevient un sujet d’actualité dans les laboratoires européens. Si des phénomènes encourageants ont pu être observés, ils ne laissent pourtant aucune trace avant la fameuse expérience réalisée par le physicien Danois Hans Christian Œrsted.

 

Hans Christian Œrsted (1777-1851).

 

Œrsted, professeur de sciences physiques à l’université de Copenhague, est du nombre de ceux qui aspirent à trouver la cause commune de l’électricité et du magnétisme.

 

Hans Christian Œrsted est né le 14 août 1777 dans l’île danoise de Langeland. Son père est pharmacien et lui fait suivre des études de médecine à Copenhague où il obtient le titre d’agrégé de la faculté de médecine en 1800, l’année même ou Volta fait connaître sa pile. Il tient un moment la pharmacie familiale mais a la chance de se voir attribuer, par son gouvernement, une bourse qui lui permet de voyager pendant cinq ans en Europe pour compléter son instruction. De retour au Danemark, il est nommé professeur de physique dans l’université de Copenhague.

 

Au début de l’année scolaire 1819-1820, il est occupé à un cours sur la pile Volta. Il en montre, en particulier, les effets thermiques, en portant à l’incandescence un fil de platine tendu entre ses deux pôles. Etait-ce un hasard ? Une aiguille aimantée se trouve sur la table, à proximité de la pile. Un assistant remarque, alors, une oscillation de l’aiguille quand les deux pôles de la pile sont réunis. C'est du moins ainsi que la légende de la découverte a été relatée.

 

Le phénomène est surprenant. On recherchait une analogie entre les pôles d’un aimant et ceux d’une pile en circuit ouvert. Il fallait, en réalité, fermer le circuit, et en quelque sorte neutraliser ces pôles, pour qu’une observation soit faite.

 


Œrsted découvre l’action magnétique des courants
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)


Reprenant l’expérience dans le secret de son laboratoire, Œrsted constate que c’est bien le fil reliant les pôles qui est le siège d’un phénomène magnétique et non les pôles eux-mêmes. Il remarque, en particulier que les effets sont les plus spectaculaires quand le fil est parallèle à la direction de l’aiguille. Tous ces résultats sont publiés en juillet 1820 dans un mémoire intitulé : "Expériences relatives à l’effet du conflit électrique sur l’aiguille aimantée".

 

Nous avons déjà indiqué que Œrsted, partisan de la théorie des deux électricités, positive et négative, imagine deux "tourbillons" de fluides électriques opposés agissant le long du fil. La "matière électrique négative décrit une spirale à droite et agit sur le pôle nord" dit-il, tandis que "la matière électrique positive possède un mouvement en sens contraire et a la propriété d’agir sur le pôle Sud ".

 

L’interprétation est archaïque et bien éloignée des théories d’action à distance héritées de Newton qui dominent à cette époque. L’observation, par contre, mobilisera, dans l’instant, l’ensemble des physiciens européens. Parmi eux, Ampère.

 

Ampère (1775-1836)

 

André-Marie Ampère fait partie de cette génération de jeunes physiciens talentueux armés des outils mathématiques les plus récents. A 33 ans il est déjà inspecteur général de l’Instruction Publique. La relation de l’expérience de Œrsted lui parvient au moment où il est devenu un professeur chevronné à l’école polytechnique. Il a alors l’idée de tester l’action de deux courants l’un sur l’autre.

 

Que feront deux fils parallèles parcourus par des courants de même sens. Vont-ils se repousser comme le font deux charges électriques de même signe ?

 

Vérification faite : ils s’attirent !

 

Par contre deux fils parcourus de courants en sens inverse se repoussent.

 

Le résultat peut alors s’énoncer sous la forme d’une loi inverse de celle de Dufay pour les charges électriques statiques :

 

Deux éléments de courants parallèles et de même sens s’attirent. Deux éléments de courants parallèles et de sens contraire se repoussent.

 

Un montage ingénieux.

 

Le montage réalisé pour cette étude est particulièrement ingénieux. Il s’agit d’un cadre rectangulaire mobile autour d’un axe. Cet axe est parallèle à un fil rectiligne vertical fixe. Le courant descend dans l’une des tiges verticales du cadre et monte donc dans l’autre.

 

Ce dispositif permet d’approcher du fil fixe, parcouru par un courant, un fil parallèle à celui-ci et parcouru d’un courant que l’on peut choisir de même sens ou de sens contraire.

 

Ce choix d’un cadre aura, nous le verrons, de fructueux effets sur la suite des travaux d’Ampère.

 


Le montage imaginé par Ampère pour étudier attraction et répulsion entre deux courants rectilignes. Le fil IL attire le fil DF et repousse le fil MG.

"Exposé des nouvelles découvertes sur l’électricité et le magnétisme, par MM.  Ampère et Babinet, Méquignon-Marvis, Paris, 1822"


 

L’annonce de ces résultats sera faite le 18 septembre 1820 c’est-à-dire une semaine après que les observations de Œrsted aient été connues de l’Académie des Sciences.

 

Plus tard, Ampère soulignera avec force la portée novatrice de son intuition :

 

« Lorsque M. Œrsted eut découvert l’action que le fil conducteur exerce sur un aimant, on devait, à la vérité, être porté à soupçonner qu’il pouvait y avoir une action mutuelle entre deux fils conducteurs ; mais ce n’était point une conséquence nécessaire de la découverte de ce célèbre physicien, puisqu’un barreau de fer doux agit sur une aiguille aimantée, et qu’il n’y a cependant aucune action mutuelle entre deux barreaux de fer doux. » (Ampère, Théorie mathématique des phénomènes électro-dynamiques uniquement déduite de l’expérience, A. Hermann. Paris 1826).

 

Il se pouvait en effet, expose Ampère, que le passage d’un courant électrique dans un fil conducteur ne lui donne, simplement, que la propriété du fer doux et donc n’implique aucune action entre les deux fils : deux barreaux de fer doux ne se repoussent pas !

 

« L’expérience pouvait seule décider la question : je la fis au mois de septembre 1820, et l’action mutuelle des conducteurs voltaïques fut démontrée. » .

 

La vraie découverte résiderait bien plus dans la mise en évidence de cette action mutuelle de deux courants que dans celle de l’action d’un courant sur un aimant faite par Œrsted. Telle semble être, du moins, l’opinion de Ampère au moment où il rédige ces lignes. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il refuse la dénomination d’électro-magnétisme pour désigner cette nouvelle branche du savoir et qu’il essaie d’imposer, sans succès, le terme d’électro-dynamisme.

 

Poursuivant l’étude du phénomène, il en établira la loi mathématique et montrera, en particulier, que les forces exercées entre deux éléments conducteurs sont inversement proportionnelles au carré de leur distance. Une loi qui retrouve la forme des celles énoncées par Newton pour la gravitation et par Coulomb pour l’électrostatique et le magnétisme. C’est d’ailleurs de Newton dont il revendique la filiation :

 

« Observer d’abord les faits, en varier les circonstances autant qu’il est possible, accompagner ce premier travail de mesures précises pour en déduire des lois générales, uniquement fondées sur l’expérience, et déduire de ces lois, indépendamment de toute hypothèse sur la nature des forces qui produisent les phénomènes, la valeur mathématique de ces forces, c’est à dire la formule qui les représente, telle est la marche qu’a suivie Newton. Elle a été, en général, adoptée en France par les savants auxquels la physique doit les immenses progrès qu’elle a faits dans ces derniers temps, et c’est elle qui m’a servi de guide dans toutes mes recherches sur les phénomènes électro-dynamiques. »

 

La terre est un électro-aimant.

 

Le cadre mobile utilisé pour établir la loi d’attraction et de répulsion des courants devait être utilisé avec précaution.

 

En effet, en y faisant passer un courant, alors que le fil fixe n’était pas encore alimenté, on observait une rotation du cadre qu’Ampère pouvait immédiatement attribuer à l’action de l’aimant terrestre sur ce dispositif particulièrement sensible. Pour éviter toute perturbation provenant de l’action de la terre, il fallait donc placer le plan du cadre perpendiculaire à la direction Nord/Sud.

 

L’étude du magnétisme terrestre devenait alors un nouveau champ d’investigation avec pour détecteur, non plus une aiguille aimantée, mais un cadre mobile parcouru par un courant. Le cadre pouvait même être incliné comme une boussole des tangentes, cette aiguille aimantée suspendue de telle sorte qu’elle puisse s’incliner dans la direction réelle des lignes du champ magnétique terrestre. Il apparaissait alors que : « quelle que soit la position qu’on donne au conducteur, » il ne s’immobilisait « que dans la situation où son plan est perpendiculaire à la direction connue de l’aiguille d’inclinaison. »

 

Guidé par ses premières observations, Ampère ne voit qu’une seule explication :

 

« cet effet se trouve expliqué par la même supposition des courants électriques dirigés de l’est à l’ouest dans le globe de la terre... ».

 

Gilbert avait su voir que la Terre était un gigantesque aimant. Ampère précisait qu’il s’agissait d’un électro-aimant résultant de courants électriques circulant en boucles à l’intérieur du Globe. Cette hypothèse est toujours d’actualité.

 

Du cadre mobile au solénoïde

 

Le cadre rectangulaire peut être remplacé par une spire. La bonne idée est d’enrouler le fil, non plus dans un plan, mais en hélice. sur un tube de verre isolant constituant ainsi ce que Ampère appellera plus tard un "solénoïde" (du grec sôlên, canal, et eidos, forme).

 


Solénoïde.
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)


 

Ce montage deviendra particulièrement efficace quand le physicien Johann Schweigger aura eu l’idée d’isoler les fils conducteurs en les entourant de soie, permettant ainsi la réalisation de spires jointives et même d’en superposer plusieurs couches.

 

Ce solénoïde, parcouru par un courant, a toutes les caractéristiques d’un barreau aimanté. Il présente à ses extrémités des pôles Nord et Sud (Austral et Boréal, dirait Ampère). Il peut s’orienter dans le champ magnétique terrestre. Il peut agir sur une aiguille aimantée.

 

Du solénoïde à l’aimant droit.

 

Une hypothèse alors largement admise, pour interpréter l’action des aimants, est l’existence de "fluides", de "charges" ou de "masses" magnétiques dans ceux-ci. Un fluide magnétique "austral" agirait au pôle nord de l’aimant, un fluide magnétique "boréal" au pôle sud.

 

Après avoir expliqué le magnétisme terrestre par l’existence de courants électriques parcourant le globe, Ampère étend tout naturellement cette hypothèse aux barreaux aimantés :

 

« ...puisque nous avons vu que nous pouvions assimiler l’effet produit par le globe, soit sur un conducteur mobile, soit sur un aimant, à celui d’un courant électrique dirigé de l’est à l’ouest, nous devons pouvoir rendre raison de tous les phénomènes que présentent les aimants, en imaginant dans ceux-ci une disposition analogue... »

 


Barreau aimanté représenté comme parcouru par des courants de direction Est/Ouest, à l’image de l’aimant terrestre.

"Exposé des nouvelles découvertes sur l’électricité et le magnétisme, par MM.  Ampère et Babinet, Méquignon-Marvis, Paris, 1822"


 

Un aimant est donc le siège de courants électriques. Ces courants forment des boucles perpendiculaires à l’axe de l’aimant, tournant toutes dans le même sens. Leur résultante superficielle donne à l’aimant une apparence de solénoïde.

 

L’hypothèse est hardie à un moment où on ne connaît rien de la nature des atomes et à plus forte raison des électrons.

 

Cette analogie se renforce quand Ampère à connaissance des expériences faites par le physicien Arago. Celui-ci à d’abord l’idée de présenter de la limaille de fer à l’action d’un fil parcouru par un courant : la limaille est attirée et retombe dès que le courant cesse. Une aiguille d’acier présentée au courant s’aimante et conserve cette aimantation.

 

Arago, puis Ampère, imaginent alors d’introduire un barreau d’acier dans un solénoïde. Leur intuition se vérifie : le barreau s’aimante en présentant les mêmes pôles que ceux du solénoïde.

 

Voici donc le moyen efficace et rapide de fabriquer des aimants permanents. Coulomb, qui en avait fait un de ses principaux objets d’étude, aurait aimé vivre cet instant.

 

Tout aussi digne d’intérêt : une tige de "fer doux" placée dans un solénoïde s’aimante également mais perd son aimantation dès que le courant cesse. Mieux qu’un aimant permanent, l’aimant temporaire, l’électro-aimant vient d’être découvert.

 

C’est l’électroaimant qui bientôt transportera des charges métalliques mais aussi permettra d’imaginer le télégraphe et surtout les moteurs puis les génératrices électriques.

 

De Ampère nous retiendrons également le "bonhomme" placé sur le conducteur de façon à ce que le courant "positif" lui entre par les pieds. La force qui agit sur le pôle nord de la boussole qu’il regarde, se dirige vers sa gauche.


Le bonhomme dessiné par Ampère.

 

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


Ampère publie l’ensemble de ses travaux en 1826, sous le titre "Théorie mathématique des phénomènes électro-dynamiques uniquement déduite de l’expérience". L’expérience : le mot est essentiel. Quelle que soient les hypothèses qui pourront être formulées sur le magnétisme, ma loi restera juste, affirme Ampère, car elle "restera toujours l’expression des faits".

 

Les faits l’ont imposé : l’ambre et l’aimant se sont à nouveau rencontrés. L’électromagnétisme est né.


Voir aussi :

 

"Gilbert, qu’on peut à juste titre appeler le père de l’électricité moderne"


Pour aller plus loin :

 

Histoire de l’électricité. De l’ambre à l’électron. Chez Vuibert.

 

Cet ouvrage retrace l’histoire de l’électricité et des savants qui ont marqué son évolution.

L’électricité paraît être une énergie évidente et n’étonne aujourd’hui plus grand monde ; son utilisation est très banale, et pourtant un nombre incalculable de nos actes et modes de vie ne sauraient se passer de son indispensable compagnie. L’électricité est une science récente… mais, des Grecs de l’Antiquité qui, en frottant l’ambre, s’émerveillaient de ses propriétés électrostatiques aux Curie étudiant la radioactivité, de découvertes heureuses en expériences dramatiques, portés par des hommes et des femmes qui ont tout sacrifié à la compréhension des phénomènes électriques, plus de vingt-cinq siècles ont défilé avant que l’on perçoive, peut-être, l’essence de cette force naturelle.

 

Au fil d’un récit imagé - celui d’une succession de phénomènes généralement discrets qui, sous le regard d’observateurs avertis, débouchèrent sur des applications spectaculaires - nous croiserons des dizaines de savants, d’inventeurs et de chercheurs dont les noms nous sont déjà familiers : d’Ampère à Watt et de Thalès de Milet à Pierre et Marie Curie, ce sont aussi Volta et Hertz, Ohm et Joule, Franklin et Bell, Galvani et Siemens ou Edison et Marconi qui, entre autres, viennent peupler cette aventure. On y verra l’ambre conduire au paratonnerre, les contractions d’une cuisse de grenouille déboucher sur la pile électrique, l’action d’un courant sur une boussole annoncer : le téléphone, les ondes hertziennes et les moteurs électriques, ou encore la lumière emplissant un tube à vide produire le rayonnement cathodique. Bien entendu, les rayons X et la radioactivité sont aussi de la partie.

 

De découvertes heureuses en expériences dramatiques, l’électricité reste une force naturelle qui n’a pas fini de susciter des recherches et de soulever des passions.


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12 août 2014 2 12 /08 /août /2014 18:27

Volta a réservé la primeur de sa découverte de la pile électrique à la Royal Society.

 

Sa lettre du 20 mars 1800 adressée à Joseph Banks parvient à Londres dans les premiers jours d’avril et, avant même sa publication officielle en juin, est communiquée aux membres de la compagnie. Dès lors chacun s’emploie à reproduire les expériences décrites et à en imaginer de nouvelles.


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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Humphry Davy (1778-1829).

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Une course aux nouveaux éléments.

 

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

 


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


 

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

 

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

 


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


 

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

 


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


 

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

 

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

 

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


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

 

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Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).

 

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

 

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

 

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

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12 août 2014 2 12 /08 /août /2014 18:10

Avril 1764. Charles-Augustin Coulomb, jeune Ingénieur de 28 ans arrive à la Martinique pour diriger l’imposant chantier de la construction du Fort Bourbon qui doit défendre l’île contre les incursions anglaises. Chantier exténuant qui mobilise plus de mille hommes et qu’il mène avec la sûreté d’un bâtisseur confirmé. Trente ans plus tard nous le retrouvons, seul, dans son laboratoire parisien devant le délicat mécanisme d’une tige légère portant une boule de sureau et suspendue horizontalement à un fil d’argent plus fin qu’un cheveux. L’ingénieur, le bâtisseur, aurait été oublié si ce fragile montage ne lui avait pas permis d’établir la loi mathématique des attractions et répulsions électriques.

 

 

 

 

 

Coulomb (1736-1806) : le temps de la mesure.

 

Charles-Augustin Coulomb est né le 14 juin 1736 à Angoulême. Son père, inspecteur des Domaines du Roi, est d’abord nommé à Paris où son fils suit les cours du Collège Mazarin et où il se passionne pour les mathématiques. Des revers de fortune obligent la famille à rejoindre Montpellier. Charles-Augustin y poursuit ses études et est admis à l’Académie des Sciences de la ville qui jouit d’une flatteuse réputation. Pendant le même temps il se prépare au concours d’entrée à l’Ecole du Génie de Mézières, une école prestigieuse qui annonce les "grandes écoles" de la période napoléonienne. Il y entre en février 1760 avec le grade de lieutenant peu de temps avant que l’abbé Nollet y soit nommé en 1761 pour y assurer l’enseignement de la physique.

 

Sa carrière est d’abord celle d’un ingénieur du génie militaire. A la sortie de l’école, en 1761, il est nommé à Brest où pendant trois ans il travaille à la réalisation de cartes côtières. Il s’embarque pour la Martinique en 1764 et en revient en 1772 expérimenté mais épuisé.

 


Fort Bourbon à la Martinique.


 

Il occupe ensuite plusieurs postes sans intérêt majeur dans des garnisons militaires avant d’être élu membre de l’Académie des Sciences en 1781 et nommé à Paris. Il peut alors se consacrer totalement aux recherches sur le magnétisme et l’électricité qu’il n’avait pu mener jusqu’à présent que de façon épisodique.

 

Ses premiers travaux datent de 1776. Il est alors à Cherbourg où il refuse de se laisser gagner par la routine. Son ambition a toujours été de mettre à profit la riche culture scientifique, en particulier mathématique, qu’il a cultivée pendant ses études à Mézières. Il ambitionne surtout d’être élu à l’Académie des Sciences qui l’a distingué en lui accordant le titre de correspondant en 1774. Une occasion de se faire à nouveau connaître s’offre à lui quand, en 1775, l’Académie met au concours un prix concernant l’amélioration des boussoles et leur application à l’étude du magnétisme terrestre. L’enjeu est d’importance à un moment où il faut disputer aux anglais la maîtrise des mers. Le sujet n’est pas, à l’évidence, du domaine de compétence de Coulomb plus instruit à maîtriser les tonnes des matériaux de construction que la délicate aiguille marine. Cependant, ce concours, demandant peu de moyens matériels, se prête parfaitement au travail d’un chercheur isolé. Il lui permet surtout d’apporter la preuve de ses capacités à mener un programme rigoureux et de faire valoir ses connaissances mathématiques.

 

D’emblée, Coulomb définit l’objet de sa recherche et la façon dont il entend la mener : l’étude raisonnée des forces magnétiques exercées sur un aimant. Le débat n’est pas encore tranché entre ceux, que nous pourrions qualifier de "cartésiens", qui défendent l’idée de l’action mécanique d’un "fluide" entourant les corps magnétiques sous la forme de "tourbillons" agissant par contact et les "newtoniens" partisans des actions à distance.

 

Coulomb, rompant avec la plupart des électriciens français, se range dans le camp des derniers. Il considère "que ce ne sont point des tourbillons qui produisent les différents phénomènes aimantaires, et que, pour les expliquer, il faut nécessairement recourir à des forces attractives et répulsives de la nature de celles dont on est obligé de se servir pour expliquer la pesanteur des corps et la physique céleste". Il est vrai que depuis les travaux de Franklin, la théorie de Newton a gagné des adeptes parmi les électriciens français.

 

Quant à la méthode, elle est également nouvelle. Coulomb, pour éliminer les frottements sur l’axe de la boussole ou du barreau aimanté, propose de les suspendre à un cheveu ou un fil de soie. Il réalise ainsi un "pendule" de torsion et commence par établir la loi de la "torsion élastique" :

 

"Les forces de torsion qui ramènent un corps à sa situation naturelle sont nécessairement proportionnelles à l’angle de torsion"

 

Ces résultats sont distingués par un premier prix. Ils annoncent des recherches plus méthodiques dont les premières conclusions seront exposées à partir de 1784.

 

La loi de Coulomb.

 

En septembre 1784, Coulomb présente aux membres de l’Académie des Sciences le Mémoire où il traite des "Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l’élasticité des fils de métal". Cette étude approfondit les résultats déjà obtenus sur la torsion. Surtout elle met en lumière l’intérêt d’une "balance" pour mesurer les forces de faible intensité comme les forces magnétiques et électriques. Il en fera usage dans une série de mesures qui occuperont 7 Mémoires dont le premier suffira à lui assurer la célébrité.

 

Ce Mémoire lu en Juin 1785 porte "sur l’électricité et le magnétisme" et en particulier sur la :

 

"Détermination expérimentale de la loi suivant laquelle les éléments des corps électrisés du même genre d’électricité se repoussent mutuellement".

 

Un dessin de sa balance de torsion illustre ce texte. Une tige légère porte une balle de sureau de 5mm de diamètre à l’une de ses extrémités et un disque de papier à l’autre. La fonction de ce dernier est celle d’un contrepoids et d’un frein opposé aux oscillations de la tige.

 

Celle ci est suspendue à un fil d’argent de 76cm de longueur. Un fil si fin que "1 pied de ce fil" ne pèse que "1/12 de grain" soit 0,16 grammes par mètre. L’ensemble est contenu dans une enceinte de verre constituée de deux cylindres. Une deuxième balle de sureau est introduite dans le cylindre inférieur au contact de la première. Il suffit alors de toucher l’une des balles par une tige chargée d’électricité (ici une tête d’épingle) pour que les balles de sureau se chargent à leur tour et se repoussent. On peut les obliger à se rapprocher par une torsion du fil pratiquée à sa partie supérieure. L’effort nécessaire est alors déterminé par l’angle de torsion mesuré par un micromètre.

 


Balance de Coulomb Mémoires de l’Académie des Sciences, 1785


Quatre chiffres suffisent à Coulomb pour annoncer un résultat :

 

" Premier essai : Ayant électrisé les deux balles avec la tête d’épingle, l’index du micromètre répondant à zéro, la balle a de l’aiguille s’est éloignée de la balle t de 36°.
 

- Deuxième essai : Ayant tordu le fil de suspension au moyen du bouton du micromètre de 126°, les deux balles se sont rapprochées et arrêtées à 18° de distance l’une de l’autre.
 

- Troisième essai : Ayant tordu le fil de suspension de 597°, les deux balles se sont rapprochées à 8°30’. "

 

Les angles totaux de torsion du fil (144° et 595,5°), c’est à dire les forces exercées, sont dans un rapport de 4,13 alors que les distances sont dans un rapport de 2,12, chiffre dont le carré est égal à 4,48. Cette différence de 8% entre les deux chiffres semble suffisamment faible à Coulomb pour qu’il puisse affirmer que :

 

"La force répulsive de deux petits globes électrisés de la même nature d’électricité est en raison inverse du carré de la distance du centre des deux globes"

 

Avec un vocabulaire plus moderne nous dirions que les forces exercées entre les deux charges électriques sont inversement proportionnelles au carré des distances qui les séparent.

 

Deux mesures pour dégager une loi ? Même si des mesures, bien plus nombreuses, furent exploitées dans les mémoires suivants, il ne manqua pas de commentateurs pour estimer que, telle que présentée, cette conclusion ne faisait pas preuve d’une réelle rigueur. Coulomb a-t-il su résister au désir de se présenter comme le Newton de l’électricité ? N’aurait-il pas voulu tout simplement vérifier une intuition forte, à savoir l’existence d’une loi analogue à celle établie et vérifiée dans le domaine de la gravitation ?

 

Jusqu’en 1825 il se trouvera des physiciens pour refuser ses conclusions et proposer, par exemple, une loi en 1/d au lieu de la loi en 1/d2. Quand il meurt en 1806, Coulomb n’est donc pas encore reconnu comme l’auteur véritable de la première loi mathématique de l’électricité. Loi d’où découleront toutes celles de l’électrostatique. Loi qui sera fondamentale pour définir les futures unités électriques. Il faudra l’énergie de ses disciples français, Biot, Haüy et Poisson pour que soit reconnue la valeur de son travail et que lui soit fait l’honneur de donner son nom à la loi d’action électrique à distance ainsi que, plus tard, à l’unité de charge électrique.

 

En même temps que sa loi sera validée, la balance de torsion dont il a été le premier à utiliser le principe, se perfectionnera pour devenir un instrument utile à la mesure des faibles effets mécaniques ou électriques. L’électromètre à quadrant de Thomson ou le galvanomètre à cadre mobile sont des exemples accomplis de l’usage de la balance de torsion et seront l’occasion de problèmes scolaires classiques jusqu’à la fin du 20ème siècle.

 

Coulomb clôt une époque fertile. Aussi habile expérimentateur que savant mathématicien, il donne réellement à l’électricité, sous sa forme "statique", le statut d’une science académique, c’est-à-dire d’une science capable de se voir appliquer, au travers de la loi d’action à distance, tous les concepts et les outils mathématiques de la mécanique "newtonienne".

 

S’ouvre alors une autre période, celle de l’électricité en mouvement, c’est à dire des courants électriques.


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

 

 

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Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).

 

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

Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...

 

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

 

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

 

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11 août 2014 1 11 /08 /août /2014 19:18

Deux espèces d’électricité ou une seule ? Nous avons vu que jusqu’à la fin du 19ème siècle deux système ont cohabité.

 

Celui initié par Dufay des deux espèces d’électricité : vitrée ou positive, résineuse ou négative.

 

Celui de Franklin : un seule espèce d’électricité chargeant les corps en plus ou en moins.

 

Il est vrai 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.

 

Des charges jusqu’aux courants électriques.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

De la pile Volta au Bonhomme d’Ampère.

 

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

 

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

 

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

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

 

Oersted : la pile et la boussole.

 

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

 

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


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Expérience de Oesrsted.

Voir la vidéo sur le site Ampère/CNRS


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

 

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

 

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

 

Ampère : le sens conventionnel.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La conclusion est naturelle :

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

voir aussi :

 

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


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

 

Le retour de Franklin.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Thomson, à cette période de sa vie, étudie le "rayonnement" qui traverse un tube vidé de son air et dont les tubes "cathodiques" de nos écrans de récepteurs de télévision et d’ordinateurs sont encore, pour quelques années, les descendants.

 

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

 

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

 

Le triomphe cependant n’est pas total :

 

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

 

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

 

Situation bloquée.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

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Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).

 

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

 

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

 

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


 

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