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6 septembre 2021 1 06 /09 /septembre /2021 14:49

Par Gérard Borvon.

 

Cicatrice de la science : parfois un mot, un nom, une expression, une règle,  semblent échapper à toute la logique que l'on attendrait des sciences. De quoi irriter l'apprenti scientifique. Un retour sur l'histoire de la discipline est alors nécessaire et nous rappelle que la science est une activité humaine, une activité vivante, qui porte parfois les cicatrices de son passé. Un exemple : les deux sens du courant électrique.

 

Un article publié dans le Bulletin de l'Union des Physiciens.

 

Un premier cours d’électricité est l’occasion d’une mise en scène
classique dans la tradition expérimentale des professeurs de sciences
physiques : une tige d’ébonite est frottée, une boule de sureau suspen-
due à son fil de soie ou de nylon est attirée puis vivement repoussée.

 

Commence alors une série de manipulations à base de chiffons de laine,
de peaux de chat, de tiges de verre ou de règles de matière synthétique,
supposée faire découvrir une propriété fondamentale de la matière :
l’existence de deux espèces d’électricité. Pour les désigner les
termes d’électricité positive et négative sont introduits.

 

 

Progressant dans le cours on arrive rapidement à la notion de
courant électrique c’est alors qu’apparaît le problème. A peine a-t-on
défini son sens conventionnel de circulation qu’il faut ajouter que le
fluide électrique est, en réalité, constitué d’électrons négatifs se dépla-
çant en sens inverse !

 

Une explication s’impose. Le professeur pressé évoquera une erreur
ancienne, peut-être même imaginera-t-il un hasardeux pile ou face. Il
suffirait cependant d’un rapide retour sur l’histoire de l’électricité pour
révéler, au lieu de décisions hâtives, la recherche obstinée d’une réalité
physique. Une histoire qu’il est certainement possible d’évoquer en
quelques mots. Nous souhaitons, au travers des éléments que nous
proposons ici, aider à préparer cette réponse. Ce sera également l’oc-
casion d’attirer l’attention sur l’un de nos compatriotes trop rapidement
oublié.

 

Voir la suite sur : http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/agora/IMG/pdf/Dufay.00.article_BUP.pdf

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24 juillet 2021 6 24 /07 /juillet /2021 14:19

Cicatrice de la science : parfois un mot, un nom, une expression, une règle,  semblent échapper à toute la logique que l'on attendrait des sciences. De quoi irriter l'apprenti scientifique. Un retour sur l'histoire de la discipline est alors nécessaire et nous rappelle que la science est une activité humaine, une activité vivante, qui porte parfois les cicatrices de son passé.

 

La notion de courant électrique a une longue histoire qui semble s'achever en cette fin de 19ème siècle où s'éclaire la notion d'atome. Cette particule apparaît alors comme constituée d'un noyau portant des charges électriques positives, les protons, et des charges négatives dans un nuage d'électrons gravitant autour de celui-ci. Deux conceptions opposées du courant électrique se rejoignent alors. Celle de Franklin considérant un fluide unique circulant du pôle positif du générateur qui porte un excès d'électricité vers son pôle négatif qui en présente un  défaut. Celle d'Ampère qui imagine deux courants de fluide négatif et de fluide positif émis par chaque pôle et se croisant dans le conducteur. Ampère choisissant alors de définir comme sens conventionnel du courant celui du fluide positif.

 

Nous voici arrivés au moment où la situation se fige.

 

Il est vrai que, dans l’électrolyse, deux courants de charges opposées se croisent dans la solution d’électrolyte, suivant ainsi le modèle proposé par Ampère. 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 unique courant d’électrons se déplaçant du pôle négatif du générateur vers son pôle positif. C'est à dire dans le sens inverse de celui proposé par Franklin et choisi de façon conventionnelle par Ampère.

 

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’ancienne 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 précipiterait du pôle positif vers le pôle négatif.

 

Un courant d'électrons, vraiment ?

 

Pour qui constate l'allumage instantané de la lampe après qu'on ait pressé l'interrupteur, il est quand même difficile de se satisfaire de ce lent déplacement des électrons. Encore plus difficile quand ce courant est alternatif et que les électrons vibrent sur place. Une question se pose : et si ce déplacement d'électrons n'était pas un simple effet du "courant électrique" qui, lui, serait bien autre chose.

 

Et d'ailleurs ces électrons ! De Broglie en a donné la représentation d'une onde que la technique a su mettre en œuvre dans les microscopes électroniques. La physique quantique les a transformés en "quantons" ni ondes ni particules mais nouvelles entités que le cerveau même des chercheurs a du mal à mettre en image.

 

Combien de temps faudra-t-il pour qu'un nouveau modèle du courant électrique prenne place dans les manuels scolaires et pour que le modèle actuel s'ajoute à la liste des Cicatrices de la Science.

 

Pour l'instant faut-il nous contenter de considérer qu'un courant électrique est ce phénomène physique que nous mesurons avec un ampèremètre ?

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13 août 2017 7 13 /08 /août /2017 12:20

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) et les pôles de l'aimant.

 

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 !

 

Attraction et répulsion des pôles magnétiques.

 

"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.

 

Le problème !

 

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.

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13 août 2017 7 13 /08 /août /2017 08:56
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7 août 2016 7 07 /08 /août /2016 14:33

par Gérard Borvon.

 

Cicatrice de la science : parfois un mot, un nom, une expression, une règle,  semblent échapper à toute la logique que l'on attendrait des sciences. De quoi irriter l'apprenti scientifique. Un retour sur l'histoire de la discipline est alors nécessaire et nous rappelle que la science est une activité humaine, une activité vivante, qui porte parfois les cicatrices de son passé.

 

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L'apprenti chimiste débutant dans l'étude des alcanes se trouve soudain devant l'obstacle que constitue le nom des quatre premiers corps.

 

Rappelons que la formule d'un alcane est CnH2n+2. A partir de n=5 la nomenclature ne pose aucun problème. La numération grecque est mise à contribution. Le pentane comprend 5 atomes de carbone, puis viennent l'hexane, l'heptane, l'octane, etc.

 

Formule de l'octane linéaire.

Formule de l'iso-octane (2.2.4-triméthylpentane) qui sert de référence pour l'indice de l'essence pour automobiles.

 

Reste que les quatre premiers doivent être appris par coeur : méthane, éthane, propane, butane ! Quatre cicatrices qui méritent explication.

 

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Méthane, CH4 :

 

Le corps, initialement connu comme "gaz des marais", a été isolé et étudié par Volta. Son nom lui vient d'un alcool naturel connu depuis l'antiquité : l'alcool de bois dont la composition (CH3OH) a été déterminée en 1834 par les chimistes Jean-Baptiste Dumas et Eugène-Melchior Péligot. Ceux-ci ont voulu rappeler l'origine de ce produit, un alcool issu du bois, en le désignant du nom de méthylène à, partir du grec methy (vin) et hylè (bois). Le préfixe méth a été conservé dans alcool méthylique ou méthanol. On le retrouve dans méthane. Le suffixe yl sera conservé pour désigner les radicaux des différents alcanes. Noter que le terme alcane lui même est dérivé de alcool, mot d'origine arabe.

 

méthanol

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Ethane, C2H6 :

 

 

Depuis l'antiquité, l'éther désigne l'imperceptible élément dans lequel se meuvent les étoiles. Le mot sera ensuite utilisé pour désigner tous fluide gazeux peu dense ou des milieux hypothétiques tels que l'éther lumineux. Le premier des éthers a été produit par les alchimistes par action du vitriol (acide sulfurique) sur l'esprit de vin (notre alcool éthylique ou éthanol, C2H5OH, comportant deux carbones) et rapidement sa propriété anesthésiante a été observée. Ainsi Eth est devenu le préfixe du deuxième des alcanes.

éthanol

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Propane, C3H8 :

 

 

Son nom provient de l'acide gras correspondant. Un acide gras comporte une longue chaîne carbonée liée à une fonction acide -COOH. L'acide C2H5-COOH a été ainsi considéré comme le premier d'entre eux. Jean-Baptiste Dumas lui avait initialement donné le nom de propionique (du grec protos, premier, et pion, gras). Devenu acide propanoïque, il a donné son nom au propane.

 

acide propanoïque

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Butane, C4H10 :

 

C'est encore un acide gras qui lui donne son nom. L'acide butyrique acide butanoïque doit son nom au beurre (bouturos en grec) auquel il donne une ôdeur rance. Sa formule C3H7-COOH correspond à une chaîne comprenant 4 carbones d'où le nom du butane.

acide butanoïque

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