C’est par hasard que nous avons rencontré Pierre Gane.
Cela s’est fait au détour d’un article publié le 26 novembre 1946 dans Ouest-France qui nous parlait d’une des premières éoliennes installées en Bretagne.
Cet article se trouvait dans les archives familiales d’amis finistériens particulièrement sensibilisés à la nécessité d’’économiser l’énergie et de mettre en œuvre des énergies renouvelables.
On imagine leur satisfaction en se souvenant que c’était dans la ferme de leur enfance qu’avait tourné l’une des premières éoliennes installées en Bretagne.
Quand la fée électricité vient, enfin, visiter la campagne, elle est reçue avec les honneurs dus à son rang. Le ton du journaliste est enthousiaste :
"Le vent soufflait dur sur le plateau de Ker-Deniel, en Landudal quand, en compagnie de Pierre Gane, nous arrivâmes à la ferme de M. Le Naour, puis de celle de M. Quintin. Une portée de fusil sépare les deux habitations. Entre-elles, ailes rabattues, l’éolienne ne s’inquiétait pas du vent qui sifflait dans son fuselage. Les 28 éléments de la batterie d’accus avaient fait leur plein d’électricité. Les moteurs tournaient dans les fermes, des lampes versaient une belle lumière blanche dans les pièces sombres et l’eau sous pression s’échappait avec force des tuyaux d’acier.
Voilà, nous déclara M. Quintin ce que nous devons à l’éolienne. Depuis son installation, nous possédons une nouvelle richesse.
Pierre Gane, l’ingénieur-constructeur, ne soufflait mot. Il enregistrait avec modestie, mais satisfaction, les propos du fermier qu’il n’avait pas provoqués."
Pierre Gane, adepte du verlan, a inversé son nom pour baptiser ses éoliennes du nom de "Enag". Elles sont réputées simples, solides et faciles à monter. Les pales sont en duralumin, un alliage d’aluminium qui commence à être utilisé. La dynamo, conçue pour avoir un bon rendement à bas régime, alimente des accumulateurs au plomb.
Le journaliste semble en avoir rajouté dans le lyrisme. Si les enfants de M. Quintin se souviennent des lampes électriques il n’ont pas le souvenir de la longue liste de machines décrites :
"Les lampes ont été montées au grenier ; une pression sur un bouton, l’écrémeuse ronronne, le broyeur d’ajoncs, le coupe-racines, le hache-paille entrent en action... la scie électrique chante et crie sous la grange".
Ces belles machines agricoles qu’on ne trouve plus que dans les musées ne pouvaient à l’évidence pas être toutes alimentées par la modeste éolienne installée. Au moins le journaliste concède-t-il que la faiblesse de la batterie ne permettrait pas d’alimenter la cuisinière électrique qui plairait à la fermière.
Le fermier, lui, est sensible à l’idée d’être un maillon dans la chaîne des utilisateurs du vent :
"Nos grands-pères utilisaient le vent pour broyer le grain, nos pères, pour monter l’eau ; à notre stade nous en sommes à fabriquer de l’électricité avec application immédiate aux besoins de la maison et de la profession. Qu’inventerons nos fils ?"
Des projets d’invention, l’ingénieur Pierre Gane n’en manque pas.
Pierre Gane, l’ingénieur.
Quand Pierre Gane a-t-il commencé à s’intéresser à l’électricité et aux éoliennes ? En 1943, on le dit occupé à en construire à Quimper en faisant travailler des réfractaires au S.T.O. et en se débrouillant pour trouver les matériaux. ( Cahier d’éole n° 2 page 13). Deux mille machines, dont beaucoup exportées, auront ainsi été fabriquées par Enag dans le demi siècle qui a suivi.
L’éolienne qu’il installe à Landudal doit être proche de ses premiers prototypes.
En 1948, on sait que cinq de ses éoliennes ont été choisies pour équiper des maisons forestières à Châlons-sur-Marne.
"L’éloignement de la majorité de nos Maisons Forestières crée, dans les circonstances économiques actuelles, une impossibilité pratique absolue d’envisager leur électrification par l’Électricité de France.
En effet, les dépenses occasionnées par l’électrification des « écarts » se montent à un ou plusieurs millions dès que les distances sont de l’ordre de 1 à 2 km., ce qui représente cependant des éloignements courants pour des logements forestiers...
Notre attention fut alors attirée sur la solution éolienne, par un de nos agents qui eut l’initiative de procéder à l’installation d’une éolienne sur son logement (Maison forestière appartenant aux Hôpitaux- Unis de Châlons-sur-Marne).
Réalisée à l’époque pour une dépense relativement peu élevée (70.000 francs en 1946), cette installation fonctionna un an avec la plus complète régularité. Il s’agissait d’une éolienne 12 volts du type « Enag », placée au sommet d’un épicéa de 32 à 35 m. de hauteur, équipée d’une simple batterie d’auto de 12 volts.
Encouragés par cette expérience, nous avons donc proposé et pu réaliser en 1948, 5 installations d’éolienne « Enag », en vue d’assurer l’électrification de 5 maisons forestières doubles ou simples." (REVUE FORESTIÈRE FRANÇAISE)
Les responsables des maisons forestières font à cette occasion mention d’une méthode de stockage de l’énergie éolienne se substituant éventuellement aux batteries :
"La génératrice envoie le courant dans un bac d’eau, l’électrolyse de l’eau donne : à l’anode de l’oxygène, à la cathode de l’hydrogène. Ces deux gaz sont emmagasinés automatiquement sous pression.
L’oxygène peut être vendu sur la base de 25 francs le mètre cube à la production ; l’hydrogène sert à actionner un moteur à gaz pauvre qui, aux heures d’accalmie, entraîne la génératrice, assurant ainsi la continuité de la production de l’électricité."
Un lecteur nous communique que Pierre Gane avait équipé la première expédition de Paul Emile Victor en Terre Adelie d'au moins une éolienne. Par ailleurs à la fin des années 70 et au début des années 1980 il avait mis au point et réalisé une voiture électrique d'une autonomie de 400KM avec des vitesses de l'ordre de 110 à 120 km/H : il avait réussi à réduire la taille des batteries et commençait à envisager un réseau permettant de changer les batteries pour faire le plein. Il existait au moins deux voitures électriques conçues par Pierre Gane en état de marche. Une à Quimper et l'autre dans les Landes où il avait un client un général en retraite qu'il avait équipé d'une Turbine pour recharger sa voiture.
Il était malade depuis l'été dernier. Il s'est éteint dans la nuit de jeudi à vendredi à son domicile de la cité Kerguélen à Quimper. Il venait d'avoir 94 ans, puisqu'il est né le 22 janvier 1904 à Eymoutiers (Haute Vienne) près de Limoges, tout comme son épouse, née Jeanne Champeaux, disparue l'année dernière.
Pierre Gane était arrivé à Quimper avant-guerre. Il faisait du cinéma ambulant dans les salles de danse. A Quimper, son point de chute était l'hôtel Moderne où, finalement, en 1936, il ouvrit une vraie salle de projection qu'il baptisa le Rex, puis le Korrigan, 20 ans plus tard, à l'occasion de travaux de rénovation. Après-guerre, il créa le Cornouaille, au dernier étage duquel il installa son appartement, cité Kerguélen.
Mais Pierre Gane était plus qu'un exploitant de salle de cinéma. Inventif et infatigable, en 1946, il ouvrit un atelier d'électro-mécanique, rue de Pont-l'Abbé, à la hauteur de la rue Bourg-lès-bourgs. Cette entreprise, qu'il baptisa ENAG, anagramme de GANE, connut vite le succès et c'est une usine qu'il fallut bientôt construire. Elle employa jusqu'à plus de 80 salariés.
La société ENAG fournissait la Marine et l'Aviation. Celle là même que Pierre Gane céda en 1984, à 70 ans, au repreneur qui l'exploite encore aujourd'hui. Homme indépendant, épris de liberté, Pierre Gane se flattait d'être le seul patron quimpérois d'importance adhérent d'aucune organisation patronale et sans syndicat dans son entreprise.
Autre facette de l'industriel quimpérois, l'élevage de chevaux de course dans sa ferme de Fao Glaz à Plonéour-Lanvern. Il n'y a pas si longtemps encore il en possédait une vingtaine. Plusieurs de ses pur-sang connurent des succès flatteurs sur les champs de course. Son meilleur crack avait été baptisé Fao Glaz.
Toute une époque ! Mais n'est-ce pas une autre époque qui s'en va avec ce Limougeot qui aura vécu les deux tiers du siècle à Quimper ? Les obsèques de Pierre Gane seront célébrées lundi à 14 h à Saint-Corentin. Son corps sera inhumé au cimetière Saint-Louis où reposent déjà son épouse, ainsi que son fils qu'une maladie emporta dans son jeune âge. Pierre Gane, à 90 ans, continuait de cultiver sa passion pour les chevaux dans sa ferme de Fao Glaz à Plonéour-Lanvern.
ENAG aujourd’hui.
D’autres repères viendront peut-être, par la suite, nous permettre d’en savoir un peu plus sur Pierre Gane. Une chose est certaine : l’aventure ENAG s’est poursuivie.
1946 Naissance d’ENAG (anagramme du nom de son fondateur, Pierre Gane).
2009 Déménagement des sociétés ENAG et CRISTEC dans une usine neuve, nettement plus grande et facile d’accès, en zone industrielle de Kerdroniou Est à Quimper."
Décembre 2017. Quimper. La société Enag met le train sur pile (Le Télégramme)
L'entreprise quimpéroise Enag, spécialisée dans la conversion d'énergie, a développé un système de traction sur batterie pour locomotives.
Une innovation qui pourrait permettre aux trains de circuler sur des tronçons non électrifiés, sans utiliser de diesel.
Imaginons un train, qui, sur une portion du réseau non électrifiée, pourrait circuler sans faire tourner son moteur diesel, sans bruit ni pollution. L'entreprise quimpéroise Enag, pionnière, depuis 1946, dans la conversion d'énergie l'a fait. En moins d'un an, elle a mis au point un système de traction alimenté par batterie pour les locomotives diesel. « Un opérateur qui réalise des travaux sur les voies, dont je ne peux pas encore dévoiler le nom, nous a commandé un train de travaux à propulsion hybride », annonce Henri Le Gallais, le président d'Enag.
Pour l'instant, une seule unité est sortie des ateliers de fabrication, situés zone de Kerdroniou à Quimper (29), pour un montant « inférieur au million d'euros ». Elle débutera, lundi, sa deuxième session de certification pour une mise en service en janvier prochain. Le système, composé d'une batterie lithium ion, d'une armoire de commande, d'un moteur électrique et d'une prise à quai, équipe une locomotive de travaux, destinée à tracter les trains contenant le matériel : grues, ballasts, rails, traverses... « Lors d'un chantier sur voie, les caténaires sont coupées, la locomotive est donc obligée d'utiliser la traction au diesel. Cela pose des problèmes, notamment dans les tunnels, à cause des émissions de gaz, et dans les zones urbaines où le moteur produit des nuisances sonores », poursuit celui qui a pris la direction de la société en 2014.
Expérience en milieu hostile
Avec ce système, les locomotives pourront circuler une heure, à une vitesse d'environ 10 km/h, le moteur électrique délivrant une puissance de deux fois 250 kW. Suffisant pour passer tous les types de pentes et « arracher » le train, terme utilisé pour désigner sa mise en mouvement. Quatre procédés sont utilisés pour charger la batterie : le branchement électrique à quai, le freinage, l'alternateur du moteur diesel et un groupe électrogène. « Le système est parfaitement autonome, le conducteur ne doit pas avoir à le gérer, c'est tout l'intérêt ».
Pour cette quasi-innovation - « à ma connaissance il y a déjà eu quelques trains hybrides, fabriqués par des géants comme Alsthom » - la « petite » entreprise de 90 salariés a pu s'appuyer sur une solide expérience dans la conversion d'énergie en milieu sévère. Déjà, en 1950, Enag fournissait une éolienne à l'explorateur français Paul-Émile Victor pour son expédition polaire au Groënland. Depuis les innovations se sont succédé dans le monde ferroviaire, maritime ou de la défense. « Nous avons réalisé la propulsion hybride des deux nouveaux patrouilleurs commandés par l'État pour la Guyane ». Au moment d'imaginer l'avenir de la batterie pour train, Henri Le Gallais avoue « ne pas avoir encore étudié le marché », mais une société suisse pourrait déjà être intéressée.
Déjà une éolienne. La lubie d’un bricoleur inspiré ? Pas vraiment. Au lendemain de la guerre, en 1946, Ouest-France s’intéresse aussi à cette grande roue qui tourne avec le vent, cette fois dans une exploitation agricole de Landudal (Finistère). À l’époque, l’électricité ce n’est pas aussi simple que d’appuyer sur un bouton, surtout à la campagne. Si en ville, le problème de l’électricité ne se pose pas, il devient entier dans nombre de villages éloignés des grandes routes et des lignes à basse tension, rappelle Ouest-France.
Ici aussi, dans cette ferme sur le plateau de Ker-Deniel, une éolienne entre en action. Elle permet de faire tourner les machines agricoles comme d’éclairer les bâtiments de la ferme. On ne connaît pas les coupures de courant sur le plateau de Ker-Deniel, résume le journal.
Le 23 novembre 2020, a eu lieu une journée d’hommage national à André-Marie Ampère, placée sous le haut patronage de Madame Frédérique Vidal, Ministre de l’Enseignement supérieur, de la recherche et de l’innovation et avec le soutien de ce Ministère.
Une dynastie scientifique Les dynasties scientifiques ne sont pas rares au XIXe siècle. (Alexandre-) Edmond Becquerel appartient à la plus célèbre d'entre elles en physique. Son père Antoine-César Becquerel (1788-1878), lui-même, son fils Henri Becquerel (1852-1908), auteur de la découverte de la radioactivité, et enfin son petit-fils Jean Becquerel (1878-1953) se succédèrent en effet de père en fils à la chaire de physique appliquée du Muséum d'histoire naturelle, partageant les mêmes domaines d'intérêt, tous quatre ayant par ailleurs été admis à l'École polytech¬ nique. A la section de physique de l'Académie des sciences, où il est élu en 1863, Edmond Becquerel siégea une quinzaine d'années aux côtés de son père et, à la fin de sa vie, quelques années aux côtés de son fils. Les quatre générations de Bec¬ querel partagèrent dans le cadre du Muséum d'histoire naturelle la même maison, le même jardin, le même laboratoire. Si, pour un chroniqueur de la fin du XIXe siècle, il s'agit d'une des dynasties dans lesquelles « le talent et le savoir se trans¬ mettent comme par héritage a1, sans doute faut-il y voir davantage un trait du fonctionnement des institutions scientifiques parisiennes au XIXe siècle.
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 fragments 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 de 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 cuillère divinatoire très particulière. La cuillère 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 cuillère tourne. Quand elle s’arrête, il reste à interpréter les inscriptions indiquées par la direction de son manche. Une cuillère 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. Ainsi le "pôle Nord" de la boussole sera, jusqu'à notre époque, celui qui se dirige vers l'étoile polaire.
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 rencontrons 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.
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.
En réalité il y a déjà plusieurs années que Oersted cherche à montrer une analogie entre magnétisme et électricité. 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".
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.
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. Quelles 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.
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.
" Qu'est-ce que l'électricité ? "Au bout de ce chemin la question a-t-elle trouvé sa réponse ?
L'histoire commence avec éclat quand Gilbert rencontre la propriété "magique" de l'ambre dans des matières aussi banales que le verre ou le soufre. Il franchissait ainsi les premières étapes de la construction d'une nouvelle branche du savoir : l'électricité.
Un nouveau pas est franchi quand la "vertu" électrique se concrétise sous la forme d'un "fluide" et quand Stephen Gray puis Dufay et Franklin établissent les notions de conducteur et d'isolant.
Un seul fluide comme le pensent Franklin et ses successeurs ? Deux fluides comme proposé par Dufay ? Il faudra plus d'un siècle et demi pour que l'existence de deux espèces d'électricité s'impose et que chacune trouve sa place respective dans l'atome : la négative dans les électrons, la positive dans les protons du noyau. Enfin un résultat stable !
Entre temps se sera posée la question de l'action externe de ce fluide. Gilbert avait sut établir la barrière entre magnétisme et électricité et voilà que ces deux propriétés se rejoignent dans les propriétés électromagnétiques des courants électriques.
Et à nouveau revient la question des actions à distance qui avait opposé "newtoniens" et "cartésiens" dans le domaine de la mécanique céleste. Les premiers acceptant une action sans contact matériel. Les seconds imaginant d'invisibles engrenages sous forme de "tourbillons" de cet "éther" mystérieux dont on emplira l'espace à chaque fois qu'on voudra en exclure le vide.
Newton et ses successeurs avaient su imposer leur schéma d'actions à distance. Coulomb avait appliqué le modèle avec succès dans le domaine de l'électrostatique. Ampère en avait fait de même dans celui des effets électromagnétiques des courants. L'affaire semblait entendue : les actions électromagnétiques sont des actions "a distance".
C'est alors que Faraday vient, à nouveau, peupler l'espace d'un "éther" structuré en lignes de "champ". C'est en coupant ces lignes de champ, dit-il, et non par une action à distance qu'un conducteur est le siège d'une force électromotrice.
Quand Maxwell aura établi l'équation de propagation, dans ces champs, d'ondes progressant à une vitesse égale à celle de la lumière, faisant du même coup de l'onde lumineuse un cas particulier d'onde électromagnétique, quand Hertz aura produit et étudié ces ondes, il ne sera plus possible de douter de leur existence et de celle des champs. Il existe donc alors deux entités bien définies : les charges électriques portées par les atomes d'un côté, les champs électriques issus de ces charges et portés par l'éther de l'autre.
Et pourtant à peine validées les ondes rencontrent un problème : l'éther n'existe pas. Or une onde demande un support. C'est le mouvement successif de chaque point de ce support à partir d'une source qui est le propre d'une onde. Les ondes lumineuses, les ondes hertziennes, n'auraient donc aucun support ? Comment alors parler encore d'ondes électromagnétiques ? Faut-il abandonner ce modèle ? Il décrit si bien la réalité observée qu'il faudra plutôt faire une entorse au "réalisme" et s'accommoder d'ondes sans support matériel même si l'intuition immédiate s'y refuse.
Même si les ondes électromagnétiques deviennent ainsi un être sans aucun lien autre que mathématique avec les phénomènes physiques dont elles portent le nom, l'électricité peuple encore deux univers séparés : celui de la matière où se trouvent et circulent les "charges" électriques, celui de l'espace vide qui est le domaine des champs et des ondes électromagnétiques.
Et voilà que Einstein, étudiant l'effet photoélectrique, revient à un modèle corpusculaire de l'onde lumineuse et que De Broglie imagine un modèle ondulatoire des corpuscules matériels. Voilà que les ondes lumineuses se matérialisent en photons pendant que les électrons se diluent en ondes. Voilà que, avec Heisenberg, naît un être nouveau, le quanta, objet insaisissable enfanté par les concepts d'onde et de matière et doué du don d'ubiquité. Voilà l'électricité réduite à un chiffre dans une matrice.
Et comment ne pas imaginer que, au moment où les quanta, à leur tour, sembleront avoir livré tous leurs secrets, d'autres questions apparaîtront qui obligeront à imaginer de nouveaux modèles et à explorer de nouveaux horizons encore plus étranges que les précédents.
Qu'en déduire ? Que, aussi spectaculaires que soient les applications de l'électricité, aussi prodigieuse que soit la façon dont elles ont transformé notre univers, l'histoire de la science électrique ne serait donc que celle d'une succession d'erreurs ?
Pourtant ces "erreurs" sont encore de solides vérités pour tous ceux dont l'électricité est le quotidien, qu'ils soient professionnels ou simples utilisateurs. On n'a pas trouvé mieux que les électrons pour expliquer ce qui se passe dans un circuit électrique ou électronique. Mieux que les ondes électromagnétiques pour décrire ce qui se transmet entre les multiples émetteurs et récepteurs qui peuplent notre quotidien. Dans les énormes accélérateurs dont se dotent les modernes physiciens, ce sont bien encore des particules qu'ils nous disent vouloir accélérer.
L'enseignement de l'électricité lui-même ne serait donc que l'enseignement d'erreurs successives ? A-t-on le droit, à travers les programmes d'enseignement, ou dans les revues de vulgarisation, de continuer à enseigner des modèles dépassés ?
D'autant plus que certaines de ces "erreurs" ont laissé des traces durables. Comment, sans faire passer la science électrique pour un bricolage approximatif, expliquer, par exemple, que le sens "conventionnel" du courant dans un conducteur est inverse de celui de déplacement des électrons. Ou encore qu'un ion négatif est une particule portant plusd'électricité que l'atome correspondant.
Comment ? En faisant appel à Dufay, à Franklin, à Symmer. En n'oubliant pas l'histoire dans l'enseignement des sciences et la diffusion de la culture scientifique.
Pas de science sans son histoire.
Seule l'histoire des sciences peut expliquer ces "cicatrices". Seule, aussi, elle est permet de combattre le dogmatisme qui guette tout enseignement scientifique.
Une loi physique n'est pas une vérité "révélée", c'est une création humaine. Connaître les tâtonnements, les réussites, les avancées et les doutes des hommes et des femmes qui s'y sont investis est aussi passionnant que d'apprendre à mettre en œuvre les lois et les méthodes qu'ils nous ont transmises.
Etudier les sciences à travers leur histoire, c'est leur donner une place, au côté de l'art ou de la littérature dans l'aventure culturelle de l'humanité. Rimbaud ne fait pas oublier Ronsard, Einstein ne doit pas faire oublier Newton. Lire un Mémoire de Dufay sur l'électricité, c'est établir une connivence, aussi forte que celle qui passe par l'émotion poétique ou artistique, avec un homme qui nous invite à partager sa passion. Lire une communication de Marie Curie à l'Académie des Sciences c'est, à la fois, vivre au jour le jour l'éclosion d'un nouveau et fantastique domaine scientifique, y compris dans ses moments de doute, mais aussi découvrir une femme qui réussit à imposer son énergie et son intelligence dans le milieu misogyne du monde scientifique de son époque.
Les sciences, à condition de ne pas occulter leur histoire, peuvent être le socle d'une culture qui franchisse les frontières. Les savoirs scientifiques, peut-être plus que d'autres, sont le résultat d'échanges permanents entre civilisations. La science "moderne" qui s'est développée dans l'espace européen, à partir du 17ème siècle, est aussi l'héritière des sciences nées en Chine, dans l'Inde ou dans le monde arabe. Le vocabulaire des sciences lui-même a emprunté à de multiples cultures. Aujourd'hui, enseignées et pratiquées dans les mêmes termes dans le monde entier, elles construisent un langage universel. Elles participent aussi, ce faisant, à la "mondialisation" de nos sociétés humaines, y compris dans leurs moments de crise.
Ce n'est qu'un début, l'histoire de l'électricité continue.
Crise environnementale, crise économique, crise sociale... Le mot "crise" semble être celui qui devrait marquer les premières années de ce XXIème siècle. Les sciences physiques n'y échappent pas.
Crise des concepts : Témoin l'interpellation à la une de la revue Sciences et Vie de février 2009 : "La physique quantique rend elle fou ?". Titre assorti du commentaire : "Être à Paris et à Marseille en même temps, ou à la fois en voiture et dans le train : impossible, à priori, ces situations ne le sont pas dans le monde quantique ! Face à ce constat, la raison vacille... et d'abord celle des physiciens". Le propose est volontairement provocateur mais révélateur du trouble qui agite le milieu des chercheurs et celui des "médiateurs" scientifiques.
Déjà Heisenberg, un des "pères" de la physique quantique, avouait sa difficulté à comprendre ce que décrivaient ses équations : "La Nature peut-elle vraiment être aussi absurde qu'elle nous semble l'être dans ces expériences atomiques ? ", écrivait-il, il y a un demi siècle. La nouveauté est cependant que, si Heisenberg et ses contemporains raisonnaient sur des expériences "virtuelles" qu'ils illustraient d'images exotiques comme celle du "chat de Schrödinger" à la fois mort et vivant, aujourd'hui des expériences de plus en plus nombreuses, dans la lignée de celle imaginée par l'équipe de Alain Aspect, prouvent que l'impensable est devenu réalité.
Alors que les sciences se fixaient l'objectif d'élaborer une vision unifiée du monde et qu'un premier pas avait été franchi par Einstein, en réunissant les notions de masse et d'énergie, d'onde et de particule, les expériences récentes introduisent une réalité non descriptible dans le monde "réel". "Mon cerveau reptilien n'est pas câblé pour comprendre la quantique", déclare Jean-Michel Raimond, directeur du département de physique de l’École Normale Supérieure tout en souhaitant que le temps et l'effort finissent par étendre les bizarreries quantiques jusqu"aux "zones d'intuition" des futures générations de physiciens. "Aujourd'hui les physiciens manipulent le formalisme quantique sans même comprendre à quoi ça renvoie", ajoute Miora Mugur-Schâfer, spécialiste de physique quantique qui fut collaboratrice de Louis de Broglie.
Pourtant certains commentateurs n'hésitent pas à annoncer une seconde révolution quantique. Dans les laboratoires, des équipes, comme celle de Serge Haroche, lauréat 2009 de la médaille d'or du CNRS, imaginent des applications possibles de "l'intrication" quantique dans les systèmes d'information et de cryptage. Un nouveau chapitre de l'histoire des sciences commence et on imagine assez facilement l'enthousiasme des jeunes chercheurs engagés dans cette aventure qui nous rappelle celui des Rutherford, Wilson, Langevin... regroupés par J.J Thomson au sein du Cavendish Laboratory au moment où ils allaient être les acteurs de la première révolution quantique.
Pour en revenir au sujet de ce livre, l'électricité, qui sait ce que ce mot signifiera pour les futures générations et quel sera leur étonnement devant la façon dont, aujourd'hui, nous concevons ce que nous appelons "électricité".
Crise de l'énergie. Nous ne pouvons conclure cette histoire sans évoquer une autre révolution à venir : celle de la production de l'énergie électrique. Les vulgarisateurs de la fin du XIXème siècle, tels Louis Figuier, ne s'étaient pas trompés : l'électricité a bien répondu à l'attente des savants, ingénieurs et industriels rassemblés à l'occasion de l'exposition internationale de l'électricité de 1881.Elle éclaire les villes, elle alimente les moteurs industriels et domestiques, après le son elle transmet les images. Par contre, nous devons aussi nous rappeler que s'ils imaginaient une électricité produite par les forces naturelles, les barrages hydraulique, le vent, les courants marins, la réalité a été toute différente.
L'essentiel de l'énergie électrique est aujourd'hui produite par des centrales thermiques consommatrices d'énergies fossiles, charbon, pétrole, gaz, dont on connaît l'impact négatif sur le réchauffement de la Planète par l'émission de gaz à effet de serre. La production d'électricité a également été le prétexte au développement d'une industrie nucléaire dont l'objectif principal reste souvent la production d'armes de destruction massive et dont on mesure, à présent, le danger de la version "civile" à la lumière des accidents de Three Mile Island, de Tchernobyl, de Fukushima, ou les problèmes de la gestion des déchets radioactifs dont l'héritage pèsera pendant des millénaires.
Aujourd'hui l'accord se fait pour un changement radical du modèle de consommation de l'énergie. Celui-ci passera par la recherche de la sobriété et le développement des énergies renouvelables. Parmi celles-ci l'énergie solaire. Découverte en 1839 par Edmond Becquerel, retrouvé sous une autre forme en 1887 par Hertz, expliqué en 1905 par Einstein, l'effet photovoltaïque est devenu le thème de recherche d'une multitude de laboratoires qui s'emploient à augmenter les rendements et diminuer les coûts de panneaux photovoltaïques.
"Solaire, pourquoi on peut enfin y croire" titrait le numéro de Sciences et Vie de mai 2009. Quoi de plus élégant, en effet, que ces cellules capables de transformer de façon immédiate la lumière en courant électrique. Quoi de plus satisfaisant que de produire, localement, l'énergie nécessaire à la plupart de ses activités quotidiennes.
L'électricité est une science récente. Elle donnera longtemps encore des raisons de s'émerveiller devant la complexité et la richesse du monde qu'elle nous révèle. La résistance qu'elle offrira à la compréhension des chercheurs sera, pour eux, autant de défis à relever et d'occasions de développer leur intuition, leur intelligence et leur sensibilité. Puissent les quelques repères que nous avons voulu rassembler ici être utiles à nos contemporains pour comprendre le présent et à nos successeurs pour imaginer l'avenir.
Au moment où le tramway et les voitures électriques font l’actualité parisienne couplés avec le problème de la pollution de l’air et celui de la lutte contre l’effet de serre, il peut être instructif de se pencher sur l’histoire des débuts de la locomotion automobile qui, comme nombre de nouveautés, commence à Paris.
Une période où la principale pollution parisienne était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.
(première mise en ligne 22 février 2007.)
Les premiers Tramways : le choix de l’électricité.
Parlons d’abord du Tramway.
Ce n’était pas une invention nouvelle : des voitures sur rail transportant de nombreux voyageurs et tractées par des chevaux circulent déjà sur des lignes exploitées par plusieurs compagnies privées. Cependant, à partir de 1892, la préfecture de Paris autorise les compagnies exploitantes à adopter des véhicules pourvus d’une traction autonome.
L’air comprimé
La "Compagnie générale des omnibus" qui exploite les lignes Cours-de-Vincennes-saint-Augustin, Louvre-Versailles et Louvre-Saint-Cloud, choisit des moteurs à air comprimé qui fonctionnent déjà sur les tramways nogentais. Une méthode non polluante dont on parle encore aujourd’hui sans oser l’adopter massivement alors qu’elle est tout à fait réaliste.
L’électricité
La "Compagnie des tramways de Paris et du département de la Seine" adopte la traction électrique sur les lignes qui lui sont concédées à savoir : Madeleine-Saint-Denis, Neuilly-Saint-Denis, Saint-Denis-Châtelet.
Ces élégantes voiture de 56 places disposent d’une impériale couverte. Chacun de ses essieux sera muni d’une dynamo Gramme ou Siemens de 15 chevaux et seront autorisées à rouler à une vitesse de 12 km/h à Paris et de 16 km/h au-delà des fortifications.
Les voitures fonctionneront sur batteries d’accumulateurs. La station centrale pour la charge des accumulateurs est établie à Saint Denis, au dépôt des tramways route de Gonesse. Un frein électrique puissant permettra d’arrêter le véhicule sur une distance de 3 mètres. Sécurité et respect de la qualité de l’air font partie des impératifs du moment.
En 1898 la Compagnie exploite une nouvelle ligne joignant République à Aubervilliers et à Pantin. L’alimentation se fait par accumulateurs en ville et par trolleys aériens extra muros. L’usine d’alimentation électrique se trouvant à Aubervilliers.
2007. Le tramway revient à Paris.
Quand le moteur remplace les chevaux des fiacres.
Entre le 1er et le 12 Juin 1898, l’automobile club de France organise un "concours de fiacres automobiles". Le programme impose un parcours varié, au minimum de 60 km par jour sur une durée de 16 heures. Il est précisé que tous les véhicules doivent offrir le confort maximum aux passagers, qu’ils doivent être munis d’un compteur kilométrique, de deux freins (l’un progressif, l’autre instantané) et d’une marche arrière.
Sur les 26 véhicules inscrits, 16 sont électriques, 10 à essence de pétrole. Après 11 jours de tests sévères, une parade est prévue pour le 12 Juin jusqu’à Versailles avec retour par le bois de Boulogne. Le 15 juin ils seront livrés à l’admiration de parisiens dans une des premières expositions automobiles.
Le premier jour du concours seules 12 automobiles seront au rendez vous : 11 électriques et une seule à pétrole.
La voiture à essence de pétrole a fonctionné correctement avec une vitesse supérieure à celle indiquée mais elle ne reçoit aucun prix : elle consomme de trop à un moment où l’essence de pétrole coûte cher. D’autre part, son prix de construction est très élevé.
"Il semble désormais acquis par l’expérience que le fiacre à moteur à essence de pétrole ne saurait constituer un système d’exploitation de voitures publiques dans une grande ville" devait déclarer le jury.
Un propos que, cent ans après et pour d’autres raisons, nous pouvons reprendre à notre compte : le moteur à essence n’a plus sa place dans une grande ville. Dans moins de cent ans il n’aura d’ailleurs plus sa place nulle part car il n’y aura plus de pétrole. Moins de deux siècles auront suffi pour transformer une richesse accumulée dans le sol pendant des millions d’année en un dangereux déchet atmosphérique.
Les voitures électriques sur le podium.
Le premier prix de 1000 francs a été attribué à deux constructeurs. M. Kriéger pour un "coupé à galerie" et M. Jeantaud pour un "cab". Il s’agit encore de voitures à chevaux, coupé ou cabriolet, mais sans chevaux. Elles en ont gardé la forme et le nom.
Le fiacre de la compagnie des transports automobiles a reçu le second prix de 600 francs. On imagine déjà pour l’année suivante un concours d’accumulateurs afin d’améliorer le poids et l’autonomie des véhicules. Pour le moment le champion est l’accumulateur "fulmen" du constructeur Brault.
Une affaire sérieuse
Il ne faut pas un an avant que les premiers fiacres électriques roulent à Paris. La "compagnie générale des voitures" a mis au point un modèle de série dont l’originalité réside dans le fait que les accumulateurs sont amovibles. Au lieu de les recharger sur le véhicule lui-même, et donc d’immobiliser celui-ci, ils le sont à l’usine. La capacité des accumulateurs est de 135 ampère-heure et permet un trajet de 60 km. Un simple passage par l’usine sur le trajet permet de ne pas interrompre le service.
L’usine est construite à Aubervilliers, rue du pilier, sur un terrain de quatre hectares. Près de l’usine de charge des batteries, un circuit parsemé d’obstacle permet de former les conducteurs. La piste est formée des sections de nature variable : pavés de bois, de grès, macadam, asphalte, bitume, pavés gras… avec des rampes de 5, 8 et 10%. Sur la route des silhouettes de femmes, d’enfants, une poussette, une bicyclette…
Les industriels initiateurs du projet ont fait un pari. Bientôt se tiendra à Paris l’exposition universelle de 1900 qui devrait être le clou du siècle. Ils espèrent mettre 1000 véhicules en circulation.
La première voiture de tourisme est, elle même, électrique
Un public riche et "moderne" existe pour des véhicules autonomes à faire parader au bois de Boulogne. Les constructeurs sauront répondre à cette demande.
La voiture électrique ci-dessus peut même se recharger en chemin. Dans le coffre, un petit moteur à pétrole permettra de recharger la batterie défaillante.
La suite de l’histoire ?
Le moteur à explosion a, lui aussi une vieille histoire. C’était d’ailleurs l’objet principal de la recherche du français Nicéphore Niepce, plus connu pour avoir "inventé" la photographie.
Dès le début du siècle il avait été capable de faire circuler sur la Tamise une barque propulsée par une hélice reliée à un moteur à explosion. Si le principe était bon, il manquait le combustible commode. Niepce pour sa part utilisait les spores très fins d’un champignon, le lycopode, dont la poudre, très inflammable, était utilisée au théâtre pour simuler la foudre.
L’invention eut peu de succès mais l’idée n’était pas perdue. Vers 1890 des mécaniciens habiles imaginaient d’utiliser les vapeurs d’essence de pétrole pour déclencher l’explosion. En 1896, un certain Diésel proposait un moteur astucieux.
Ces moteurs bruyants et malodorants avaient un avantage : ils autorisaient des véhicules plus légers et plus rapides. Exactement ce qu’il fallait pour organiser, hors des villes, les premières grandes courses automobiles.
Rapidement, la faveur de ces courses amènera à améliorer les performances des moteurs. A la sagesse du transport en commun urbain allait succéder la folle aventure de la vitesse et du tourisme et l’emballement du transport routier.
A présent qu’un nouveau cycle commence, qui verra la fin de l’ère du tout pétrole, la "belle époque" semble vouloir nous faire un clin d’œil.
Une voiture électrique en 2007 qui garde bien des caractéristiques de son ancêtre de 1898.
Mieux encore. L’alliance de deux inventions des années 1900 : la bicyclette et la voiture électrique.
Un vélo-taxi "hybride" (moitié sueur, moitié kwh), croisé dans Paris le 3 juillet 2008.
On parle aussi des premières voitures électriques dans :
Histoire du carbone et du CO2.
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.
L’auteur de cet article est André-François Boureau Deslandes (1690-1757).
Né à Pondichéry en 1690, il vient en France à l’âge de 13 ans. En octobre 1708 il est nommé contrôleur de la marine à Brest puis commissaire de la marine en 1716.
Nous retiendrons ici le scientifique, reçu élève géomètre à l’Académie des sciences en février 1712, membre de l’Académie des sciences de Berlin et auteur de plusieurs ouvrages scientifiques, en particulier sur la marine.
Malgré une oeuvre considérable, c’est d’abord par sa modique contribution à l’observation du tonnerre, qu’il se retrouve dans différentes publications.
La foudre a toujours terrorisé ou fasciné.
Dans les religions antiques elle est le symbole de la puissance des dieux et l’instrument effrayant de leur justice. La tradition se maintient dans les cultes plus récents. Au siècle des lumières encore, on se préserve de la foudre en faisant sonner les cloches aux clochers des églises.
En témoigne la relation du coup de tonnerre qui frappe le Nord-Finistère en ce début de 18ème siècle.
Nous sommes en avril de l’année 1718.
A.F Boureau Deslandes est alors à Brest. Après plusieurs jours de pluie et d’orage, un coup de tonnerre extraordinaire ébranle toute la région. Il en rend compte à l’Académie des sciences qui publie un résumé de sa lettre.
"...enfin vint cette nuit du 14 au 15 qui se passa presque toute en éclairs très vifs, très fréquents et presque sans intervalle. Des matelots qui étaient partis de Landerneau dans une petite barque, éblouis par ces feux continuels, et ne pouvant plus gouverner, se laissèrent aller au hasard sur un point de la côte, qui par bonheur se trouva saine. A quatre heures du matin, il fit trois coups de tonnerre si horribles que les plus hardis frémirent.
Environ à cette même heure, et dans l’espace de côte qui s’étend depuis Landerneau jusqu’à Saint Paul de Léon, le tonnerre tomba sur 24 églises et précisément sur des églises où on sonnait pour l’écarter. Des églises voisines où on ne sonnait point furent épargnées.
Le peuple s’en prenait à ce que ce jour là était celui du Vendredi Saint où il n’est pas permis de sonner. Mr Deslandes en conclut que les cloches qui peuvent écarter un tonnerre éloigné, facilitent la chute de celui qui est proche, et à peu près vertical, parce que l’ébranlement qu’elles communiquent à l’air dispose la nue à s’ouvrir.
Il eut la curiosité d’aller à Gouesnou, village à une lieue et demie de Brest, dont l’église avait été entièrement détruite par ce même tonnerre.
On avait vu trois globes de feu de trois pieds et demi de diamètre chacun, qui s’étant réunis avaient pris leur route vers l’église d’un cours très rapide. Ce gros tourbillon de flamme la perça à deux pieds au-dessus du rez de chaussée, sans casser les vitres d’une grande fenêtre peu éloignée, tua dans l’instant deux personnes de quatre qui sonnaient, et fit sauter les murailles et le toit de l’église comme aurait fait une mine, de sorte que les pierres étaient semées confusément alentour, quelques-unes lancées à 26 toises, d’autres enfoncées en terre de plus de deux pieds.
Des deux hommes qui sonnaient dans ce moment là, et qui ne furent pas tués sur le champ, il en restait un que Monsieur Deslandes vit. Il avait encore l’air tout égaré, et ne pouvait parler sans frémir de tout son corps. On l’avait retrouvé plus de quatre heures après enseveli sous les ruines et sans connaissance. Mr Deslandes n’en put tirer autre chose sinon qu’il avait vu tout d’un coup l’église toute en feu et qu’elle tomba en même temps. Son compagnon de fortune avait survécu 7 jours à l’accident, sans avoir aucune contusion, et sans se plaindre d’aucun mal que d’une soif ardente qu’il ne pouvait éteindre."
La foudre, le croyant, le savant et les cloches.
Chacun se fait de la Foudre une image adaptée à sa culture. L’homme du peuple ne peut douter qu’il s’agisse d’une manifestation divine. Le lettré imagine une accumulation dans les nuages de matières inflammables. On notera, cependant, que l’utilité de sonner les cloches, malgré la preuve évidente du danger, n’est absolument pas mise en doute. Ni par la population qui explique l’échec par le sacrilège commis un Vendredi Saint. Ni par le "savant" qui continue à considérer qu’un tonnerre éloigné aurait été écarté par les cloches.
Jusqu’à la fin du siècle, malgré les vigoureuses campagnes des autorités et l’interdiction régulièrement rappelée de sonner les cloches les jours d’orage, la pratique se poursuivra accompagnée de son cortège d’accidents.
"Le système absolu [des trois unités mécaniques] pouvait être considéré comme incontournable tant que l'on pouvait espérer déduire l'électricité de la mécanique. Ce temps est révolu."
Arnold Sommerfeld (1935)
Le système CGS (centimètre, gramme, seconde) adopté par la British Association en 1873, puis par les premiers congrès internationaux d'électricité, repose sur le choix de trois grandeurs dites fondamentales : longueur, masse et temps. Ces trois grandeurs permettent en effet d'exprimer toutes les grandeurs de la mécanique.
Il est possible d'exprimer également les grandeurs électriques en fonction des grandeurs de la mécanique, et donc dans les unités du système CGS. Mais suivant la relation choisie pour relier l'électricité à la mécanique (loi de Coulomb, loi d'Ampère ou autre loi), on obtient des systèmes différents. Deux systèmes CGS distincts ont été utilisés pour l'électricité depuis les années 1860.
Le système CGS électrostatique
Ce système s'appuie sur la loi de Coulomb qui exprime la force F s'exerçant entre deux charges q et q' situées à une distance r, dans le vide : F = A qq'/r2
Le système électrostatique est défini par le choix d'une constante de proportionnalité A sans dimension et de valeur 1.
Loi de Coulomb dans le système électrostatique : F = qq'/r2
La relation fondamentale de la dynamique permet d'exprimer la dimension de la force en fonction des dimensions des grandeurs fondamentales de la mécanique : [F] = M L T-2
On trouve alors, à partir de la loi de Coulomb, la dimension de la charge électrique[Qes]dans ce système : [Qes] = L3/2M1/2T-1
Le système CGS électromagnétique
Ce système s'appuie sur la loi de force d'Ampère (loi de Laplace + loi de Biot et Savart) entre deux éléments de courant (ou, de manière équivalente, sur la force de Coulomb entre deux pôles magnétiques). Prenons le cas particulier où les deux éléments de courants dl et dl' sont parallèles et perpendiculaires à la ligne qui joint leurs centres. Si ces éléments sont placés à la distance r et sont parcourus par des courants d'intensité I et I', la force qui s'exerce entre eux est : F = k II' dldl’/r2
Le système électromagnétique est défini par le choix d'une constante de proportionnalité k sans dimension et de valeur 1. On obtient le même système en prenant la loi de Coulomb pour le magnétisme (F = k μμ'/r2).
Loi d'Ampère dans le système électromagnétique :F = II' dldl’/r2
L'intensité I étant le quotient d'une charge par un temps, on obtient à partir de la loi d'Ampère la dimension de la charge électrique[Qem]dans le système CGS électromagnétique : [Qem] = M1/2 L1/2
La charge électrique n'a donc pas même dimension dans le système électromagnétique ou dans le système électrostatique.
Comparaison des dimensions des grandeurs électriques dans les deux systèmes
La dimension de la charge étant connue, il est possible de déterminer les dimensions des autres grandeurs électriques dans chaque système grâce à l'expression de la puissance P = UI (la puissance ayant par ailleurs en mécanique la dimension d'une force multipliée par une vitesse) et à la loi U = RI.
Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau suivant :
Les grandeurs électriques ont des dimensions différentes, et assez complexes, dans chaque système. Ainsi la résistance a la dimension d'une vitesse dans le système électromagnétique et la dimension de l'inverse d'une vitesse dans le système électrostatique. Les deux systèmes sont donc incompatibles et impliquent des conversions pénibles lorsque l'on passe de l'un à l'autre.
Une vitesse relie les deux systèmes
D'après le tableau ci-dessus, le rapport entre la dimension de la charge [Qes] dans le système électrostatique et la dimension de la charge [Qem] dans le système électromagnétique est :
[Qes] / [Qem] = L T-1. C'est la dimension d'une vitesse.
Le rapport entre les deux unités de charge fut déterminé expérimentalement par Weber et Kohlrausch en 1856. Leur méthode consiste à mesurer une même quantité d'électricité - la charge d'une bouteille de Leyde (un condensateur) - d'abord en unités électrostatiques, puis en unités électromagnétiques. Les expériences de Weber et Kohlrausch ont donné un rapport Qes/Qemégal à 3,1074.1010cm/s soit 310 740 km/s. Une tout autre méthode, utilisée par Maxwell en 1868, donne un rapport de 2,88. 105km/s.
Pour en savoir plus sur les différentes méthodes de mesure de ce rapport on pourra consulter letraité de Maxwell, p. 468-484. [Voir le PDF]
une figure du traité de Maxwel (p 478)
La vitesse mesurant le rapport des unités de charge se trouvait ainsi étonnamment proche de celle de la lumière, déterminée avec précision au milieu du siècle par Hippolyte Fizeau avec une roue dentée tournant à grande vitesse : 315 300 km/s.
Une telle proximité entre la valeur du quotient Qes/Qemet celle de la vitesse de la lumière a frappé les physiciens, en particulier Maxwell qui étudiait alors les relations entre la propagation de la lumière et la propagation des effets électromagnétiques.
Dans la théorie électromagnétique de Maxwell, les interactions électromagnétiques ne se transmettent pas par des actions à distance, comme la force de Coulomb ou la force d'Ampère, mais par des actions de proche en proche. Les champs électriques et magnétiques remplissent tout l'espace, y compris le vide.
La théorie de Maxwell impose, pour tout système d'unités, une relation entre les constantes A et k :
A/k = c2
c étant la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide.
Le travail expérimental de Kohlrausch et la réflexion de Maxwell, a priori limités à la question des unités, ouvraient des perspectives inattendues dans le domaine théorique.
Unifier les deux systèmes : le système Giorgi
Pour unifier les deux systèmes d'unités électriques, Giovanni Giorgi propose en 1901 un nouveau système qui présente divers avantages. Tout d'abord Giorgi montre qu'en ajoutant aux trois grandeurs fondamentales de la mécanique (masse, longueur, et temps) une quatrième grandeur fondamentale issue de l'électricité, on obtient un nouveau système qui est "cohérent" (toutes les unités dérivent des unités fondamentales sans coefficient autre que 1) contrairement aux systèmes électrostatique et électromagnétique.
Nous avons vu que les choix conventionnels A = 1, bien commode pour l'électrostatique, ou k = 1, bien commode pour le magnétisme, mènent à deux systèmes incompatibles. Giorgi introduit, dans la formulation des lois qui sont à la base de son système, des constantes qui ont une dimension physique, c'est-à-dire qui ne sont pas de simples nombres sans dimension comme ½ ou π. Il montre qu'en prenant A = 1/(4πε0) et k = μ0/4π, on élimine le facteur 4π des équations de Maxwell et de nombreuses formules usuelles en électricité. D'autres choix étaient possibles, mais celui-ci assure la symétrie entre électricité et magnétisme.
Les grandeurs ε0et μ0ont une dimension physique : ε0définit la "capacité du vide à être chargé d'énergie électrique" (la "permittivité") et μ0sa capacité à être chargé d'énergie magnétique (la "perméabilité").
La loi de Coulomb devient : F = (1/4πε0) qq'/r2
et la loi d'Ampère :F = (μ0/4π) II' dldl'/r2.
De la relation A/k = c2découle alors :
ε0μ0c2= 1
Il reste encore un choix arbitraire à faire pour déterminer complètement le système d'unités. Ce choix, fait après de nombreuses discussions au sein de commissions internationales, fut de prendre :
μ0= 4π 10-7m.kg.s-2.A-2(unité du système MKSA).
L'ampère, qui avait été choisi comme quatrième unité fondamentale plutôt que l'ohm, est alors défini comme étant :
"l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, produit entre ces conducteurs une force de 2.10-7newton par mètre de longueur."
De longs échanges, souvent passionnés entre physiciens et ingénieurs, ont conduit à accepter le système de Giorgi, plus d'un demi-siècle après sa présentation.
Electrostatique et électromagnétisme parlent dès lors le même langage.
Sources :
MAXWELL, James Clerk.Traité d'électricité et de magnétisme. Traduction de la deuxième édition anglaise par A. Sélimann-Lui. Paris : Gauthier-Villars, 1885.
THOMSON (Lord KELVIN), William.Conférences scientifiques et allocutions. Traduites et annotées sur la deuxième édition par P. Lugol. Paris : Gauthier-Villars et Fils, 1893
G. BRUHAT. Cours de Physique Générale, Electricité, huitième édition revue par G. Goudet. Paris : Masson et Cie, 1967.
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Comme l'art ou la littérature,les sciences sont un élément à part entière de la culture humaine. Leur histoire nous éclaire sur le monde contemporain à un moment où les techniques qui en sont issues semblent échapper à la maîtrise humaine.
La connaissance de son histoire est aussi la meilleure des façons d'inviter une nouvelle génération à s'engager dans l'aventure de la recherche scientifique.
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