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

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

 

 

 

 

 

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

 

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

 

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

 


Fort Bourbon à la Martinique.


 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La loi de Coulomb.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 


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


Quatre chiffres suffisent à Coulomb pour annoncer un résultat :

 

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

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

Il est vrai que le choix ne s’impose pas quand on étudie l’électricité à l’état statique.

 

Le problème se pose-t-il différemment quand on considère la circulation de ce, ou de ces, fluide(s), c’est à dire quand on s’intéresse au "courant" électrique ?

 

 


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

 

Des charges jusqu’aux courants électriques.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

De la pile Volta au Bonhomme d’Ampère.

 

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

 

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

 

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

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

 

Oersted : la pile et la boussole.

 

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

 

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


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Expérience de Oesrsted.

Voir la vidéo sur le site Ampère/CNRS


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

 

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

 

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

 
Ampère : le sens conventionnel.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La conclusion est naturelle :

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

voir aussi :

 

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


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

 
Le retour de Franklin.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Thomson, à cette période de sa vie, étudie le "rayonnement" qui traverse un tube vidé de son air et dont les tubes "cathodiques" équipaient, il n'y a pas si longtemps, les écrans de récepteurs de télévision et d’ordinateurs.

 

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

 

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

 

Le triomphe cependant n’est pas total :

 

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

 

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

 

Situation bloquée.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

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

 

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

 

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

 

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


 

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11 août 2014 1 11 /08 /août /2014 18:41

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


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

 

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

 
Dufay (1698-1739) et la répulsion électrique :

 

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Un discours de la méthode :

 

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

 

Il s’agit de savoir :

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Un beau programme qui sera mené avec une remarquable rigueur.

 

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

 

La répulsion rejoint l’attraction.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La loi de Dufay

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


 

 


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

 

La théorie de Dufay et L'abbé Nollet.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Nous pourrions prolonger la longue période oratoire de Becquerel :

 

"J’ai vainement cherché son souvenir dans les livres de physique, dans le nom des lois et des unités électriques...".

 

Est-il vraiment trop tard pour perpétuer le souvenir de ce physicien talentueux ?

 

Rien ne nous empêche de signaler dans nos cours et dans nos manuels que la loi d’attraction et de répulsion électrique est la "loi de Dufay".

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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


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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Mais ceci est une autre histoire.


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

 

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

 

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

 

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

 

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


On trouve dans le Volume 38 des "Philosophical Transactions of the Royal Society, 1734", une communication de Dufay dans laquelle il présente sa découverte des deux espèces d’électricités.

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7 août 2014 4 07 /08 /août /2014 12:38

Émanation, fluide, particule, onde… quelle est l’identité de cette chose insaisissable mais bien présente dont la quête remonte à vingt-cinq siècles et dont la réalité nous échappe dès qu’on pense l’avoir cernée ?

 

 

 

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.


 

Table des matières

 

 

_____

 

Quand est née l’électricité ?

L’ambre.

Une matière attirante.

Le long sommeil du succin.

 
William Gilbert, le premier électricien.

La naissance de l’électricité.

L’électricité est une propriété générale de la matière.

 
Les premières machines électriques.

Otto de Guericke (1602-1686).

Francis Hauksbee (? – 1713).

Tube ou globe ?

Georg Matthias Bose (1710-1761).

L’abbé Nollet (1700-1770).

Les machines à plateau.

 
Gray, Dufay, Franklin et la conduction électrique.

Stephen Gray (1666-1736).

Tardives et fabuleuses découvertes.

Dufay : premier classement.

Corps électriques et non-électriques, quelle différence ?

Benjamin Franklin : le vocabulaire.

 

De Dufay à Ampère : des deux espèces d’électricité aux deux sens du courant électrique.

Dufay (1698-1739) et la répulsion électrique.

Un discours de la méthode.

La répulsion rejoint l’attraction.

La loi de Dufay.

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

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

Des charges jusqu’aux courants électriques.

De la pile Volta au bonhomme d’Ampère.

Oersted : la pile et la boussole.

Ampère et le sens conventionnel.

Le retour de Franklin.

Une situation bloquée.

 

La bouteille de Leyde : la puissance cachée de l’électricité.

De terribles nouvelles venues de Leyde

Ce premier condensateur électrique, comment fonctionne-t-il ?

Une bouteille miracle.

 

A la conquête du feu céleste : le paratonnerre.

La longue histoire du tonnerre.

Un coup de tonnerre dans le ciel parisien.

 
Coulomb et le temps de la mesure.

La loi de Coulomb

 
De Galvani à Volta : la découverte de la pile électrique.

Galvani et les grenouilles.

Volta et la pile électrique.

 
Electricité et chimie.

Humphry Davy (1778-1829).

Une course aux nouveaux éléments.

 
L’autre pierre magique : l’aimant.

L’héritage chinois.

Pierre de Maricourt (XIIIe siècle).

William Gilbert.

Coulomb et la mesure.

 

Oersted, Ampère et la naissance de l’électromagnétisme,
ou quand l’ambre retrouve l’aimant.

Hans Christian Oersted (1777-1851).

Ampère (1775-1836).

Un montage ingénieux.

La Terre est un électroaimant.

Du cadre mobile au solénoïde.

Du solénoïde à l’aimant droit.

 
Faraday et les champs.

 

Michael Faraday (1791-1867).

Du moteur à la génératrice.

Lignes de force et champs.

La loi de Faraday.

Maxwell (1831-1879), la mise en équations.

 

 
Maxwell et les ondes : au rendez-vous de la lumière et de l’électricité.

L’éther lumineux.

L’éther électromagnétique et la nature de la lumière.

Etablir les équations de propagation d’une perturbation électromagnétique.

Construire un système cohérent d’unités électriques.

 

 
Hertz et la réalité des ondes électromagnétiques.

A la conquête des hautes tensions : la bobine de Ruhmkorff.

Vers la découverte des ondes hertziennes.

L’éther existe donc ? L’expérience de Michelson et Morley.

Branly, Marconi etb le début de la radiophonie.

 
Le temps des ingénieurs : l’Exposition internationale d’électricité de 1881.

L’époque des génératrices électriques.

L’exposition internationale d’électricité à Paris.

La lumière électrique.

Les nouvelles génératrices.

La force motrice de l’électricité.

Après l’exposition de 1881.

Le côté sombre de la force électrique.

Quel futur pour l’électricité ?

 
Les unités électriques, ou quand les électriciens font naître un langage universel.

Le système métrique décimal.

Naissance des unités électriques.

Avant 1881 : des systèmes nationaux différents.

1881 : premier congrès international des électriciens et preemier système international.

Un succès remarqué.

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

Des mécaniciens dépassés.

Vers le système MKSA.

 
Une étrange lumière : le rayonnement cathodique.

William Crookes et la matière radiante.

 
Röntgen et les rayons X.

Röntgen et la découverte

L’épopée des rayons X.

Les rayons X, le dernier cri de la mode.

Le revers de la médaille.

Un monument à la mémoire des victimes des radiations.

 
Un nouveau rayonnement : le rayonnement radioactif.

Henri Becquerel : la découverte du rayonnement radioactif.

Marie Curie et les premières hypothèses.

Le polonium.

Le radium.

 
Vie et mort de l’électron.

Thomson et la découverte de l’électron.

L’électron et l’atome, de Thomson à Rutherford.

Planck, Einstein et la naissance du photon.

L’atome de Bohr.

Louis de Broglie et la nature ondulatoire de l’électron.

Quand l’incertitude devient un principe.

Et l’électricité, l’électron, la charge électrique dans tout cela ?

 
Histoire à suivre.

Pas de science sans son histoire.

Ce n’est qu’un début, l’histoire continue.

 
Bibliographie. Index des noms ; Index des matières. Les dates de l’électricité.
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1 août 2014 5 01 /08 /août /2014 09:14

Patrice Gélinet a consacré son émission de mercredi 9 décembre 2009 à l’histoire de l’électricité.

 

Invité : Gérard Borvon pour son livre publié chez Vuibert, "Histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron"


 

Date de première publication en ligne : 7 mai 2010

 

 

« Il est un agent puissant, obéissant, qui se plie à tous les usages : il m’éclaire, il m’échauffe, il est l’âme de mes appareils mécaniques. Cet agent, c’est l’électricité. »

Jules Verne Vingt Mille Lieues sous les mers

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Pendant des milliers d’années, l’humanité s’est contentée d’observer sans les comprendre les manifestations de ce qui allait devenir sa première source d’énergie. Emerveillés par les aurores boréales, ou terrorisés par la foudre, qui n’était croyaient-ils que l’expression de la colère des dieux, les hommes ont mis des siècles à comprendre et à domestiquer l’électricité pour qu’elle les éclaire, les réchauffe, leur permette de se déplacer, de communiquer, et pour faire tourner leurs machines. En 1780, un savant italien, Luigi Galvani, avait même réussi à faire bouger des cadavres de grenouille en y faisant passer de l’électricité. C’était l’époque où elle n’était encore qu’un objet de curiosité dans les salons du XVIII° siècle.

 

Ecouter l’émission

 

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Ecouter aussi :

 

 

De Thalès, fasciné par l'ambre et sa force d'attraction, à l'électricité de demain, l'énergie électrique a toujours été au coeur des préoccupations humaines. Aujourd'hui, loin des craintes premières des hommes face à la foudre et aux éclairs, c'est l'avenir de la planète, et la position de l'homme dans cet environnement en souffrance, qui font progresser la place et l'image de l'électricité dans la vie de chacun. De nouvelles voies ont été explorées, des énergies renouvelables proposées. De l'hydroélectricité à l'électricité verte obtenue à partir de déchets industriels et agricoles, en passant par les panneaux photovoltaïques, les éoliennes, la géothermie, le solaire hydraulique et les énergies marines, ces filières d'énergie « propre » commencent à se faire une place au côté de l'électricité traditionnelle, sans toutefois la détrôner.

 

De l'ambre à l'électron, cette histoire de l'électricité mérite que l'on s'y attarde, car si l'électricité est devenue pour tous un droit inaliénable, et s'affiche comme l'énergie de demain, elle le doit à des hommes, amateurs ou scientifiques reconnus, à des expériences heureuses ou hasardeuses, et à des erreurs aussi, sans parler du hasard omniprésent dans l'histoire des sciences.

 

Un parcours que nous vous proposons de retracer, aujourd'hui, en direct du studio 167 de France Culture, en compagnie de Gérard Borvon, ancien professeur de physique, formateur en Histoire des sciences techniques dans les IUFM (institut universitaire de formation des maîtres), et auteur du livre « Histoire de l'électricité, de l'ambre à l'électron », paru chez Vuibert à l'automne 2009. Et avec lui, Patrice Carré, qui a signé en 1991, avec Alain Beltran, un livre intitulé « La fée et la servante », paru chez Belin. Il est spécialiste de l'histoire culturelle et sociale des réseaux.

 

 

Aurélie Luneau

 

Ecouter l'émission

 

 

___________

 

 

Gérard Borvon a publié Histoire de l'électricité, de l'ambre à l'électron aux éditions Vuibert. Il y fait le récit de l'évolution de l'électricité, curiosité de la Grèce antique devenue une ressource essentielle à notre civilisation.

 

Hugues de Roussan

 

Ecouter l'émission

 

______________

 

 

Semences de Curieux est une émission animée par Jacques Olivier sur la radio belge RTBF.

 

Par définition, les sciences sont toujours en mouvement. Semences de Curieux se propose d’en suivre la marche en les mettant en perspective, entre les acquis du passé et les questions en suspens avec leur enjeu pour demain.

 

 


 

Pour réécouter les deux émissions voir :

 

 

1ere émission

 

2eme émission

 

ou encore :

 

 

http://seaus.free.fr/spip.php?article731

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Histoire de l’électricité. La fée électricité sur Terre à Terre (France Culture, Ruth Stégassy avec Lilas Nord ).

 

Ruth Stegassy une fois n’est pas coutume s’est permis une escapade dans le domaine de la rêverie et du fantastique. Le 20 mars dernier,  elle s’entretenait avec Lilas Nord de la fée électricité au XIXe siècle ou comment l’arrivée de l’électricité a sérieusement chauffé les méninges des romanciers de l’époque.

Quand l’électricité a été découverte, mais les étapes de cette découverte et de sa diffusion n’ont pas été rappelées, c’est le plus épais mystère qui entourait ce phénomène la plupart du temps invisible. Maxime Du Camp, ami et compagnon de débauche de Flaubert incitait les poètes à abandonner leurs thèmes mythologiques trop désuets pour célébrer la science et chanter le progrès.

Lilas Nord a évoqué quelques auteurs inconnus, nonobstant doués d’une imagination plus que débordante. C’est l’époque où la science était pour les écrivains une source inépuisable d’inspiration et il n’y avait pas que Jules Vernes.

Deux thèmes se partagent l’imagination des romanciers : celui de la conquête de la nouvelle force avec réactivation du mythe prométhéen et celui d’une divinité nouvelle. On a vu apparaître toutes sortes de figures démiurgiques pas toujours rassurantes.

Dans son roman Xipéhuz, l’ écrivain d’origine belge, Rosny l’aîné un des créateurs de la science fiction imagine que des créatures électriques, des entités extraterrestres, bourrées d’énergie débarquent un jour auprès d’hommes préhistoriques. Ces envahisseurs d’un nouveau type sont bien décidés à anéantir les autochtones mais l’un d’entre eux éprouve à leur égard une certaine curiosité ce qui donnera à leur visite un cours différent.

Villiers de l’Île Adam imagine l’andréide, une femme parfaite, aussi intelligente que belle, son corps est mécanique, et elle est reliée à une vraie femme plongée dans un sommeil prolongé qui lui procure son humanité, je doute que le dispositif soit très commode.

Dans le roman tintinesque Docteur mystère de Paul d’Ivoi, un électricien, au cours d’un aventureux voyage en Inde, réussit en mobilisant des phénomènes électriques à se faire passer pour le fils de Vichnou et c’est ainsi qu’il circonvient une secte pas très sympathique.

Albert Robida, illustrateur prodigieux, imagine des instruments merveilleux tels les aspirateurs de nuages. Il fait preuve de bonnes capacités d’anticipation avec son téléphonoscope, vidéo projetée en direct sur écran et sa guerre miasmatique et il est un assez bon anticipateur pour pester à l’avance contre les inconvénients des nouvelles machines, ces téléphones qui nous empoisonnent la vie en faisant dring dring etc.

 

Ruth Stégassy

 

 

Voir : http://seaus.free.fr/spip.php?article624

 

ou encore : Terre à terre les archives non-officielles

 

 

 

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Voir encore :

 

 

 

Histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron. Un livre chez Vuibert.

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Au fil d’un récit imagé – celui d’une succession de phénomènes généralement discrets qui, sous le regard d’observateurs avertis, débouchèrent sur des applications spectaculaires – nous croiserons des dizaines de savants, d’inventeurs et de chercheurs dont les noms nous sont déjà familiers : d’Ampère à Watt et de Thalès de Milet à Pierre et Marie Curie, ce sont aussi Volta et Hertz, Ohm et Joule, Franklin et Bell, Galvani et Siemens ou Edison et Marconi qui, entre autres, viennent peupler cette aventure.

 

 

On y verra l’ambre conduire au paratonnerre, les contractions d’une cuisse de grenouille déboucher sur la pile électrique, l’action d’un courant sur une boussole annoncer : le téléphone, les ondes hertziennes et les moteurs électriques, ou encore la lumière emplissant un tube à vide produire le rayonnement cathodique. Bien entendu, les rayons X et la radioactivité sont aussi de la partie.

 

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

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31 juillet 2014 4 31 /07 /juillet /2014 08:09

En 1731, paraît dans les "Philosophical Transactions", la publication de la "Royal Society", un texte qui allait faire accomplir un premier pas de géant à la toute jeune science électrique. Son auteur, Stephen Gray, n’est pourtant pas un personnage en vue. Considéré comme un "amateur", il a dû subir le mépris des scientifiques  en place. Il se hissera, cependant, au niveau de son compatriote Gilbert dans l’estime des "électriciens" européens.

 

Stephen Gray (1670-1736).

 

Stephen Gray est fils d’un teinturier de Canterbury et teinturier lui-même. Il fait de sérieuses études qui l’amènent à s’intéresser plus particulièrement à l’astronomie. Il est, à ce titre, invité à participer aux travaux de l’astronome royal John Flamsteed à Greenwich, l'auteur du premier catalogue moderne du monde céleste donnant la position exacte de près de 3000 étoiles. En 1707, il est à nouveau appelé à Cambridge, également pour des travaux d’astronomie.

 

Cette expérience est décevante. Ses relations avec le milieu des savants académiques sont difficiles. Il constate avec amertume que ses communications sont refusées pour la publication, ce qui n’empêche pas qu’elles soient régulièrement pillées. Il regagne donc son commerce de Canterbury en 1708. Trop fatigué pour poursuivre son activité, il demande à être admis dans une maison de retraite connue sous le nom de Charterhouse. Cette institution, installée dans un ancien couvent de Chartreux, avait été créée pour être, à la fois, une école de jour pour des enfants pauvres et une pension pour personnes âgées. Ses pensionnaires étaient généralement des hommes distingués bénéficiant de sérieuses références. Gray dut attendre huit ans avant d’y être admis, en 1719, sur recommandation du Prince de Galles.

 

Libéré de ses soucis financiers, il entendait bien occuper cette retraite à cultiver son intérêt pour les diverses branches des sciences. Il s’était, en particulier, muni de divers tubes de verre et du petit matériel utile à des démonstrations électriques.

 

Déjà en, 1708, il avait adressé un mémoire à la Royal Society concernant de "nouvelles expériences sur la lumière et l’électricité". Il avait été étonné par la facilité avec laquelle il pouvait reproduire les expériences de Guericke en utilisant un simple tube de verre. La vertu "expulsive", en particulier se manifestait de façon spectaculaire. Une plume approchée du tube était d’abord attirée pour être ensuite repoussée. Elle pouvait rester longtemps à "planer" au-dessus du tube et même monter et descendre au rythme du frottement.

 

Il lui apparaissait cependant que la vertu "expulsive", loin d’être une propriété nouvelle du soufre ou de la terre, comme l’avait estimé Guericke, était, plus simplement, au même titre que l’attraction, une propriété de la vertu électrique.

 

Une autre observation méritait l’attention : si la plume, une fois repoussée, parvenait à proximité d’un corps extérieur au tube, elle en était attirée. Elle retombait ensuite sur le tube pour être à nouveau repoussée. Le manège pouvait ainsi durer de 10 à 15 allers et retours avant de s’arrêter. Ces observations amenaient Gray à supposer que la plume, placée à proximité du tube frotté, devait, elle-même, acquérir une vertu électrique.

 

De tels faits auraient dû attirer l’attention de ses contemporains, mais Hauksbee, à qui il adresse son mémoire, ne juge pas utile de le publier. Fort heureusement, ils continueront à obséder Gray et lui permettront une éclatante revanche.

 

Tardives et fabuleuses découvertes.

 

En février 1729, étant déjà depuis 10 ans à Charterhouse, il entreprend d’expérimenter sur l’électrisation des métaux. Ayant constaté qu’il lui était impossible de les électriser par frottement, il se propose d’y parvenir en les plaçant, comme il l’a déjà fait avec une plume, dans les "effluves" électriques entourant un tube de verre frotté.

 

Avant de commencer, il décide de tester son tube. Celui-ci, qu’il décrit avec précision, est un tube de verre au plomb de trois pieds cinq pouces (1 mètre) de long et de un pouce et 1/5 (3 centimètres) de diamètre. Ce tube est fermé, à chaque extrémité, par un bouchon de liège, afin que la poussière n’y entre pas. Gray a, en effet, remarqué que celle-ci nuit à l’efficacité du tube.

 

Les bouchons sont habituellement enlevés quand le tube est utilisé. Pourtant, cette fois, Gray veut tester l’efficacité du tube bouché. Il frotte donc l’extrémité d’un tube muni de ses bouchons et constate qu’il fonctionne tout aussi bien.

 

Soudain, le hasard lui offre un fabuleux cadeau.

 

Gray raconte :

 

« comme je tenais une plume de duvet vis-à-vis de l’extrémité supérieure du tube, j’aperçus qu’elle voulait aller vers le liège, et qu’elle était attirée et repoussée par lui, tout comme par le tube, lorsqu’il avait été excité par le frottement ; je tins donc le duvet vis-à-vis de la surface plate du liège, laquelle l’attira et le repoussa plusieurs fois de suite, à ma grande surprise, d’où je conclus que le tube excité avait certainement communiqué au liège une vertu attractive. »

 

La suite des expériences a un côté "surréaliste" :

 

« Ayant sur moi une boule d’ivoire, d’environ un pouce et 3/10 de diamètre, percée de part en part, je l’assujettis sur un morceau de bois de sapin, long d’environ quatre pouces, et je fis entrer l’autre bout du morceau de bois dans un des bouchons de liège, et frottant le tube, je vis que la boule attirait et repoussait la plume avec plus de force que le liège n’avait fait ; les attractions et répulsions se répétant un très grand nombre de fois tout de suite. »

 

Des tiges de bois de 8, puis 24 pouces, enfoncées dans le bouchon, sont essayées avec le même succès. Quelle distance peut-on ainsi atteindre ? Après plusieurs essais, Gray réalise un assemblage de roseaux et de baguettes de sapin totalisant plus de 18 pieds de long, ce qui correspond à la longueur de sa chambre. Le résultat est probant, l’attraction est aussi forte que celle obtenue à l’extrémité de tiges plus courtes.

 

Puis vient le tour d’une ficelle de chanvre de trois pieds de longueur. Attachée au tube, elle est lestée par la boule d’ivoire qui attire les feuilles de cuivre avec tout autant de facilité.

 

Une ficelle est un moyen de fixation commode. Elle sera bientôt lestée par une boule de plomb, une pièce d’or, un morceau d’étain, une pelle à feu, un vase d’argent, une bouilloire de cuivre tantôt vide et tantôt pleine d’eau, chaude ou froide. Tous ces corps métalliques attirent les feuilles de cuivre à la hauteur de plusieurs pouces quand le tube de verre est frotté. Les métaux, qui ne peuvent acquérir la "vertu" électrique par le simple frottement, peuvent donc la recevoir d’un tube de verre frotté auquel on les fait communiquer. De même des cailloux, des briques, un aimant, des tuiles, de la craie, des végétaux.

 

Gray sait qu’une voie royale vient de s’ouvrir devant lui, il s’y engage avec enthousiasme. Une question lui vient naturellement à l’esprit : jusqu’à quelle distance pourra-t-il ainsi transmettre la vertu électrique.

 

Une première réponse lui est donnée au mois de mai 1729 chez son ami John Godfrey dans sa propriété de Norton-Court dans le Kent. Une tige de 32 pieds de long est réalisée à partir de cannes creuses et de tiges de sapin, le tout terminé par l’habituelle boule d’ivoire : la vertu électrique est transmise à cette distance. Une ficelle de 26 pieds de long, pendue dans le vide, à partir d’un balcon fonctionne également. De même une corde de 34 pieds suspendue à une tige de 18 pieds, soit un parcours total de 52 pieds.

 

Les succès sont spectaculaires, mais survient le premier échec !

 

Voulant transmettre la vertu électrique horizontalement au moyen d’une ficelle, Gray soutient celle-ci par des cordes fixées aux poutres de la pièce où se pratique l’expérience. Le résultat est négatif.

 

 

Découverte de la conduction électrique par Gray

(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

 

Gray n’en est pas particulièrement étonné. Les cordes de fixation, pense-t-il, transmettent une part essentielle de la vertu électrique aux poutres et il n’en reste plus qu’une infime partie qui puisse arriver jusqu’à la boule. Il lui faudra donc imaginer un autre dispositif.

 

L’occasion lui en est donnée le 2 juillet 1729. Il est alors chez son ami Granvil Wheler. Afin de tendre la ficelle, des fils de soie sont fixés entre les murs latéraux d’une longue galerie. Pourquoi de la soie ? C’est le fil qui allie la meilleure résistance à la plus grande finesse. Or Gray, alerté par son premier échec, est persuadé « qu'un pareil fil, attendu son peu de grosseur, pourrait faire réussir l’expérience, puisqu’il détournerait moins la vertu électrique de la ligne de communication » constituée par la ficelle.

 

L’hypothèse se vérifie. La vertu électrique peut, ainsi, être portée jusqu’à une distance de 147 pieds. La galerie devenant trop courte, on passe dans une grange où la distance de 293 pieds (près de 100 mètres) est facilement atteinte. A ce moment, un incident vient perturber cette course au record et faire prendre un nouveau cours aux observations.

 

On imagine facilement l’agitation qui pouvait accompagner une telle expérimentation. L’une des traverses de soie n’y résiste pas. Fort opportunément, Gray s’est muni d’un fil de laiton (alliage de cuivre et de zinc) présentant la finesse requise tout en étant plus solide. Il remplace donc la traverse de soie défectueuse par ce fil de laiton. Mais, avec ce dispositif, Gray doit constater son échec : « avec quelque vivacité qu’on frottât le cylindre, la boule ne produisit aucun mouvement, et n’excita pas la moindre attraction ».

 

Une évidence s’impose alors aux deux observateurs :

 

« nous fumes convaincus que nous devions la réussite de nos expériences précédentes aux traverses de soie, non pas à cause qu’elles étaient menues, comme je l’avais d’abord imaginé, mais parce qu’elles étaient de soie »

 

Ainsi la ficelle et le laiton ont un comportement différent de la soie. Forts de cette nouvelle donnée, Gray et Wheler reprennent leurs expériences. Ils savent à présent que des fils de soie, même d’un diamètre respectable, isoleront parfaitement la ficelle qu’ils supporteront. Après être passés de la galerie à la grange, les expérimentateurs passent au jardin et atteignent une distance de 650 pieds, plus de 200 mètres.

 

Engagé dans cette course au record, Gray découvre un nouvel effet de la "vertu électrique" : elle peut se transmettre sans contact ! Méticuleux, il note que cette révélation lui a été faite le 5 août 1729. Ce jour là il avait suspendu un poids de plomb de 14 livres à une corde de Crin. Sous la masse de plomb, des feuilles de cuivre ont été disposées. Il approche le tube de verre et, soudain :

 

« le tuyau ayant été frotté et tenu près de la corde, mais sans la toucher, le poids attira et repoussa les feuilles plusieurs fois de suite jusqu’à la hauteur, tout au moins, de trois pouces, si ce n’est quatre . »

 

Dès lors les expériences prennent un nouveau cours. On pourra transmettre la vertu électrique sans avoir à s’encombrer d’un bouchon, d’une baguette ou d’une ficelle. La simple approche du tube frotté suffira. La place est laissée libre à l’imagination. Gray n’en manque pas. Sa démonstration la plus spectaculaire inspirera des générations d’électriciens. Laissons-lui la parole :

 

« Le 8 avril 1730 je fis l’expérience suivante sur un garçon de 8 à 9 ans, qui pesait tout habillé 47 livres 10 onces. Je le suspendis horizontalement sur deux cordes de crin, (semblables à celles sur lesquelles on fait sécher le linge) longues de 13 pieds »

 

Ces cordes suspendues au plafond, chacune par deux crochets, se présentent comme deux boucles proches l’une de l’autre.

 

L'expérience de l'enfant suspendu

(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

 

« On coucha sur ces deux cordes l’enfant la face en bas, une des cordes lui passant sous la poitrine, l’autre sous les cuisses. Les feuilles de cuivre furent posées sur un petit guéridon, rond, d’un pied de diamètre, recouvert de papier blanc, et soutenu par une tige haute d’un pied.

Aussitôt que l’on eut frotté le tube, et qu’on l’eut présenté vis-à-vis des pieds du petit garçon, mais sans les toucher, son visage attira les feuilles de cuivre avec beaucoup de force, jusqu’à les faire monter à la hauteur de 8 et quelquefois de 10 pouces. »

 

Un humain peut donc, sans dommage, recevoir et transmettre la vertu électrique !

 

Sans qu’il le sache, Gray vient d’inaugurer la mise en scène expérimentale la plus souvent répétée dans les "salons de physique" européens. Si l’on ne devait garder qu’une image des ouvrages d’électricité du 18ème siècle, ce serait celle d’une demoiselle richement vêtue et couchée sur un plateau retenu au plafond par des cordons de soie. Un jeune abbé approche de ses pieds un tube de verre frotté pendant que de jeunes gens lui présentent, sur un plateau d'argent, des feuilles d’or qu'elle attire à distance.

 

Ce n’est pas sans appréhension qu’on confie, aujourd’hui, sa précieuse personne aux démonstrateurs de musées qui, comme au Palais de la Découverte à Paris, proposent de vous faire dresser les cheveux sur la tête par la vertu de l'électricité. On imagine sans peine la hardiesse de ces premiers volontaires.

 

Gray n’est pas à court d’imagination. Il réussit même à électriser les bulles de savon produites au moyen d’une pipe.

 

Une dernière expérience « pour voir à quelle distance la vertu électrique pourrait être portée en ligne droite, sans que le tube touchât la ficelle » et le record est atteint. Il est de 886 pieds, près de 300m !

 

 

Dufay : premier classement.

 

Gray est enthousiaste mais brouillon. Le compte-rendu qu’il donne de ses expériences retient cependant l’attention de Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739), un jeune physicien français qui, à 35 ans, est déjà, depuis dix ans, membre de l’Académie des Sciences de Paris. Nous reparlerons plus longuement de Dufay.

 

Usant de méthode, il reprend d'abord le problème de l'électrisation des corps : la faculté d'attraction à distance existe-t-elle dans tous les corps ?

 

La question n'est pas nouvelle. Gilbert, le premier, l’avait abordée. Dufay, naturellement, reprend la liste impressionnante des corps déjà testés par Gray et ses prédécesseurs : l’ambre, les résines, les pierres précieuses, les verres de toutes natures, le soufre, la laine, la soie, les plumes, les cheveux. Il y ajoute des corps aussi divers que le marbre, le granit, le grès, l’ardoise, l’ivoire, l’os, l’écaille, les poils d'animaux.

 

Ces corps ne réagissent pas toujours à un simple frottement. Certains doivent être chauffés, parfois, même, jusqu’à s’y brûler les doigts. Tous, cependant, si on use de méthode et en particulier si on les a parfaitement séchés, peuvent être électrisés par frottement.

 

Tous ? Pas exactement. Il reste une catégorie qui résiste : celle des métaux : « quelque peine que je me sois donnée », dit-il, « et de quelque manière que je m’y soit pris, je n’ai pu parvenir, non plus que M. Gray, à les rendre électriques ; je les ai chauffés, frottés, limés, battus, sans y remarquer d’électricité sensible »

 

Il résulte de ces observations une première conclusion :

 

« à l’exception des métaux et des corps que leur fluidité ou leur mollesse met hors d’état d’être frottés, tous les autres qui sont dans la nature sont doués d’une propriété qu’on a cru longtemps particulière à l’ambre et qui, jusqu’à présent, n’avait été reconnue que dans un petit nombre de matières .»

 

Gilbert l'avait déjà signalé, l'électricité est donc bien autre chose qu’une vertu magique confinée dans l’ambre et les pierres précieuses. C’est une propriété générale de la matière digne d'une étude systématique.

 

Cependant, il existe deux classes de corps : Dufay propose de désigner sous le nom de "corps électriques", ceux qui, comme le verre, peuvent être électrisés par frottement. Ceux qui, tels les métaux, ne peuvent l'être, constitueront la classe des corps "non électriques".

 

 

Corps "électriques" et "non-électriques", quelles différences ?

 

D'abord le problème de l'attraction. Ces deux types de corps, les "électriques" et les "non-électriques", se différencient-ils par la façon dont ils sont attirés ?

 

Dufay approche son tube de verre frotté de râpures d'ambre, de gomme laque, de verre pilé, de sciure de bois dur et pesant, de brique pilée, ces corps étant "le plus qu'il est possible, de même volume et de même pesanteur comparés les uns aux autres". Il constate que les corps "qui ne sont pas électriques par eux-mêmes", comme les métaux, le bois ou même la brique sont plus fortement attirés que ceux qui le sont, comme l'ambre, le verre, la cire.

 

Dans nos expériences courantes, des fragments de coton ou des morceaux de papier conviendront dans la mesure où ils sont légers et "conducteurs" (comme nous qualifions aujourd'hui les corps "non-électriques"). Le corps idéal des expérimentateurs du 18ème pour montrer attractions et répulsions sera la feuille d'or à la fois très conductrice, très légère et offrant une large surface à l'influence électrique.

 

Deuxième problème : celui de la conduction. Il s'agit de déterminer "quels sont les corps qui peuvent arrêter ou faciliter la transmission" de la "vertu" électrique.

 

Tout naturellement Dufay reprend les expériences de Gray sur la conduction horizontale. Il se fait aider de l'abbé Nollet, son assistant, pour tendre des supports de soie entre les arbres de l'allée du jardin de sa propriété de Tremblay, à proximité de Paris.

 

Expérience de Dufay au Tremblay

 

La corde, préalablement mouillée, qui repose sur ces traverses transmet l'attraction électrique jusqu'à 1256 pieds, plus de quatre cents mètres, le record de Gray est largement battu ! Est-il nécessaire de poursuivre plus loin l'expérience ? Dufay n'en voit pas l'utilité :

 

"Ayant reconnu que l'électricité pouvait être portée à une si grande distance, il m'a paru inutile de prendre beaucoup de peine pour la faire aller plus loin, et si, après avoir fait un chemin de 1256 pieds, son effet est encore très sensible, il ne sera point étonnant qu'elle puisse encore agir fort au-delà."

 

Avant d'arriver à ce résultat spectaculaire il avait d'abord soigneusement multiplié les essais en utilisant des cordons et des tiges de différentes natures. "Je me suis servi" nous dit-il "de tuyaux de verre, de baguettes, de roseaux, de fil de fer et de cuivre, j'ai fait un grand nombre de combinaisons de cordons et autres corps continus". Il constate que les tuyaux de verre, les cordons de soie ne communiquent presque aucune "vertu". Par contre "la corde la plus commune et les cordons de fil, de la grosseur d'un tuyau de plume ou même plus gros, était ce qui se faisait de mieux.". Surtout si on avait pris la précaution de les humidifier.

 

Naturellement un fil métallique convient encore mieux mais il est plus facile, en 1733, de trouver 800m de ficelle de chanvre qu'un fil de cuivre de la même longueur.

 

Une nouvelle loi découlera de ces observations :

 

"Qu'il nous suffise, quant à présent, d'avoir reconnu et établi pour principe que les corps les moins propres à devenir électriques par eux-mêmes, sont ceux qui sont le plus facilement attirés, et qui transmettent le plus loin, et le plus abondamment la matière de l'électricité ; au lieu que ceux qui ont le plus de disposition à devenir électriques par eux-mêmes, sont les moins propres de tous à acquérir une électricité étrangère, et à la transmettre à un éloignement considérable."

 

En langage plus moderne, et pour simplifier, nous dirions qu'un corps non-électrique (comme un métal) sera facilement attiré par un corps électrisé et sera le plus efficace des conducteurs. Le verre (corps électrique) que le frottement rend si facilement attractif sera, au contraire, le meilleur des isolants.

 

Dufay ne cache pas sa satisfaction. C'est, dit-il "toujours beaucoup que de découvrir quelques vérités sur une matière aussi obscure, et aussi difficile par elle-même."

 

Franklin : le vocabulaire.

 

Avant de suivre Dufay sur la voie de nouvelles découvertes, arrêtons-nous un moment sur le concept de conducteur et d'isolant. S'il est clairement analysé par Dufay, il faut attendre Franklin (1706-1790) pour que le vocabulaire s'accorde avec l'idée.

 

Nous détaillerons par la suite les apports de Franklin à la science électrique. Qu'il nous suffise pour le moment de savoir que, dès son contact avec l'électricité, en 1747, il crée une véritable rupture.

 

L'électricité, dit-il, n'est pas créée par le frottement sur les "corps électriques". Ce n'est pas, non plus, une "vertu" propre à ces seuls corps. C'est un fluide qui imprègne tous les corps et qui est capable de passer d'un corps à l'autre.

 

Cette intuition l'amène tout naturellement à habiller d'un vocabulaire nouveau les anciennes catégories :

 

" En quoi consiste la différence entre un corps électrique et un corps non électrique ? Les termes électrique par soi-même et non-électrique furent d'abord employés pour distinguer les corps, dans la fausse supposition que les seuls corps appelés électriques par eux-mêmes contenaient dans leur substance la matière électrique qui pouvait être excitée par le mouvement, qu'elle en provenait et en était tirée, et communiquée à ceux qu'on appelait non-électriques, que l'on supposait dépourvus de cette matière... Je soupçonne à présent qu'elle (la matière électrique) est répandue assez également dans toute la matière du globe terrestre.

Cela étant ainsi, on pourrait abandonner comme impropres les termes "électrique par soi même" et "non-électrique" ; et puisque toute la différence est que quelques corps conduisent la matière électrique et que les autres ne la conduisent pas, on pourrait leur substituer les termes de "conducteur" et "non-conducteur".

 

On ne peut perfectionner la science sans perfectionner le langage, devait, plus tard, affirmer Lavoisier en introduction à son traité élémentaire de chimie (1789). "Quelque certains que fussent les faits, quelque justes que fussent les idées qu'ils auraient fait naître, ils ne transmettraient encore que des impressions fausses, si nous n'avions pas des expressions exactes pour les rendre.", ajoutait-il.

 

Franklin, qui fréquentera régulièrement son laboratoire lors de son séjour parisien, l'aura devancé dans cette voie. Les faits ont fait naître, dans son esprit, l'idée que l'électricité est un "fluide " qui imprègne tous les corps. Les faits, l'idée, exigent un vocabulaire précis : les corps ne se partagent pas en "électriques" ou "non-électriques", mais en "conducteurs" et "non-conducteurs" (nous disons aujourd'hui isolants).

 

Arrêtons-nous ici sur ce qui pourrait sembler un paradoxe : le premier conducteur connu, une ficelle de chanvre, est plutôt considéré, aujourd'hui, comme un isolant. Pour le comprendre, il faut se souvenir que, si les quantités d'électricité mises en œuvre dans les phénomènes électrostatiques sont infimes, les tensions qui leur correspondent sont, elles, de plusieurs milliers ou dizaines de milliers de volts. Sous l'effet de telles tensions même le chanvre devient conducteur. C'est pourquoi il est recommandé de ne pas jouer avec un cerf volant près d'une ligne à haute tension, ou encore d'écarter un câble tombé à terre au moyen d'une tige de bois. Car dans ce cas les fortes tensions s'accompagneraient de courants de forte intensité et l'électrocution serait au rendez-vous.

 

 

Les concepts de fluide électrique, de conducteur et d'isolant sont donc nés. L'idée, certes, avait également déjà germé chez plusieurs auteurs anglais, mais Franklin est celui qui aura franchi le pas avec le plus de hardiesse. Ceux qui, sur le vieux continent, sauront adopter ses vues n'auront qu'à s'en féliciter.

 

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Quelques liens :
 
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Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).
L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...
...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté des équations de la physique.
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30 juillet 2014 3 30 /07 /juillet /2014 06:58

De Dufay à Ampère, des deux espèces d'électricité aux deux sens du courant électrique.

 

 

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

 

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

 

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

 

Dufay (1698-1739) et la répulsion électrique :

 

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Un discours de la méthode :

 

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

 

Il s’agit de savoir :

 

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

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

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

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

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

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

 

Un beau programme qui sera mené avec une remarquable rigueur.

 

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

 

La répulsion rejoint l'attraction.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La loi de Dufay :

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Abbé Nollet

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

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

 

Contrairement à son prédécesseur, la renommée n'a pas oublié Franklin, "l'inventeur" du paratonnerre.

 

Benjamin Franklin

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Charles-Augustin Coulomb.

 

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

 

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

 

 

Des charges jusqu'aux courants électriques.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

De la pile Volta au Bonhomme d'Ampère.

 

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

 

 

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

 

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

 

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

 

 

 

Oersted : la pile et la boussole

 

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

 

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

 

 

 

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

 

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

 

 

Ampère : le sens conventionnel.

 

André-Marie Ampère

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

La conclusion est naturelle :

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

"Bonhomme d'Ampère" nageant dans le courant

(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)

 

 

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

 

 

Le retour de Franklin.

 

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

 

James Clerk Maxwell

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

voir aussi : Quelques bonshommes... par des potaches du XXe siècle

 

 

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

 

Joseph John Thomson

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Le triomphe cependant n'est pas total :

 

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

 

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

 

 

Situation bloquée.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

D'une certaine façon cette "erreur" est bénéfique : elle casse le discours linéaire, elle force à l'interrogation et oblige à un retour sur l'histoire des sciences.

 

Au moins les apprentis électriciens retiendront-ils que l'activité scientifique est une activité humaine, une activité vivante, et qu'on y rencontre parfois les cicatrices des erreurs passées.

 

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Pour aller plus loin : un ouvrage paru chez Vuibert en juin 2009.

 

 

Au fil d’un récit imagé – celui d’une succession de phénomènes généralement discrets qui, sous le regard d’observateurs avertis, débouchèrent sur des applications spectaculaires – nous croiserons des dizaines de savants, d’inventeurs et de chercheurs dont les noms nous sont déjà familiers : d’Ampère à Watt et de Thalès de Milet à Pierre et Marie Curie, ce sont aussi Volta et Hertz, Ohm et Joule, Franklin et Bell, Galvani et Siemens ou Edison et Marconi qui, entre autres, viennent peupler cette aventure.

 

On y verra l’ambre conduire au paratonnerre, les contractions d’une cuisse de grenouille déboucher sur la pile électrique, l’action d’un courant sur une boussole annoncer : le téléphone, les ondes hertziennes et les moteurs électriques, ou encore la lumière emplissant un tube à vide produire le rayonnement cathodique. Bien entendu, les rayons X et la radioactivité sont aussi de la partie.

 

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

 

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31 mars 2014 1 31 /03 /mars /2014 15:09

Appelé "l’or de la mer" ou "larmes des dieux", l’ambre est un curieux matériau. Il peut se brûler, se charger d’électricité statique et conserver pendant des millions d’années les éléments inclus lors de son processus de fossilisation. Les Anciens lui attribuaient des vertus magiques et le considéraient comme un cadeau royal. Les tombes des souverains d’Égypte, de Syrie ou de Grèce contenaient de nombreux objets précieux travaillés à partir de cette résine fossile.

 

Mais d’où venait-elle ?

 

Des recherches récentes révèlent l’empreinte chimique de l’ambre et précisent son origine : la mer Baltique. Une route de l’ambre devait donc relier les deux extrémités du monde connu à cette époque : les bords riants du Nil et les rives tempétueuses du Nord. Mais par où passait cette voie disparue ? De récentes fouilles semblent confirmer qu'elle traversait, entre autres, la Bavière, plus précisément Bernstorf où des archéologues ont mis au jour un sceau fait en ambre de la Baltique et en or des mines d’Égypte. Il représente d'ailleurs un visage gravé qui pourrait être la réplique du fameux masque d’or d’Agamemnon retrouvé à Mycènes.

 

Les routes de l'ambre

 

 

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Voir aussi le voyage maritime de Pythéas

 

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31 mars 2014 1 31 /03 /mars /2014 10:16
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24 février 2014 1 24 /02 /février /2014 08:07

Par Gérard Borvon.

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Qui ne mesure, aujourd’hui, l’importance des ondes électromagnétiques de toutes fréquences, ondes radio, radar, ondes diverses des systèmes de téléphonie mobile… Le premier à les produire et à les voir agir est un jeune chercheur de 30 ans Heinrich Hertz.


Sa découverte résulte de la rencontre d’une pensée théorique majeure, celle de Maxwell, et d’une technique aboutie, celle des fabricants de matériel scientifique et parmi eux, Ruhmkorff.

 

A la conquête des hautes tensions : la bobine de Ruhmkorff.

 

Les piles ont un mérite : elles fournissent un courant de façon continue. Elles ont aussi un inconvénient : elles ne permettent pas l’accès à des tensions de plusieurs milliers de volts.

 

Or la médecine reste fidèle à ces chocs électriques qui, même quand ils ne guérissent pas, sont l’affichage d’une supposée haute technicité. C’est pourquoi les machines électrostatiques ont sans cesse été perfectionnées pendant tout le 19ème siècle. La machine de Wimshurst en est le plus bel aboutissement. Dans les années 1880 elle se répand dans tous les cabinets des médecins aussi bien que dans les laboratoires des universités et des lycées où nous la trouvons encore aujourd’hui.

 


Machine de Wimshurst, dans son coffret, munie de ses accessoires.


Un nouvel instrument va bientôt lui faire concurrence : la bobine de Ruhmkorff. Celle-ci est le résultat d’efforts dispersés.

 

On prête généralement à Joseph Henry, professeur à l’Académie d’Albany, la première observation, en 1832, d’étincelles de rupture. Le montage qui l’amène à cette observation est constitué de deux fils longs de plusieurs mètres reliés à quelques éléments de pile. Le circuit est fermé par un godet empli de mercure. Si l’un des fils est brusquement retiré de ce godet, une étincelle éclate entre le mercure et le fil.

 

Tout se passe comme si le courant faisait preuve d’inertie et tendait à se maintenir après l’ouverture. Henry désigne ce phénomène par le terme "d’extra-courant de rupture". Il constate que celui-ci est encore plus violent quand le fil est enroulé en spires jointes et en particulier quand on introduit un noyau de fer doux dans l’axe de ces spires. Faraday, un an plus tôt, avait découvert l’induction d’un circuit sur un autre circuit proche lors de l’ouverture ou de la fermeture du premier.

 

Henry venait de découvrir le phénomène "d’auto-induction" d’un circuit sur lui-même.

 

L’apparition d’étincelles, preuve de l’existence d’une haute tension entre le mercure et le fil lors de la rupture, intéresse les médecins et fabricants de matériels scientifiques. On prête à Charles Grafton Page, médecin et compatriote de Henry, la fabrication d’un "autotransformateur" constitué d’une seule bobine dont une première partie, alimentée par les piles, constitue le primaire et où le secondaire, où se produisent les étincelles, est constitué par le reste de la bobine.

 

Bientôt les deux circuits seront séparés et la bobine prend sa forme plus élaborée entre les mains de Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877).

 

Né en Allemagne, Ruhmkorff vient à Paris pour y apprendre et y exercer le métier de fabricant d’instruments scientifiques de précision. Son chef d’œuvre est cette fameuse bobine d’induction à laquelle sera bientôt associé son seul nom, faisant oublier du même coup tous ceux, nombreux, qui y ont apporté leur contribution.

 

Louis Figuier, dans les Merveilles de la Science, en donne la description suivante :

 

" Le corps de la bobine, S, est en carton mince, et les rebords en bois vernis de gomme laque. Sur le cylindre de carton, se trouvent enroulées deux hélices de fil de cuivre, parfaitement isolées. Une de ces hélices est composée de gros fil (d’environ 2 millimètres) ; l’autre, de fil très fin (dans un autre passage Louis Figuier dira qu’il peut atteindre jusqu’à 30 kilomètres de longueur). Les bouts de ces quatre fils sortent des rebords de la bobine par quatre trous a, b, c, d. Les extrémités du fil fin se rendent aux boutons A, B, montés sur des colonnes de verre. Les extrémités du gros fil viennent aboutir à deux petites bornes métalliques, qui communiquent avec les deux pôles de la pile.".

 

 

Une pièce importante du montage est le "vibreur" qui établit et supprime le courant au primaire. Celui-ci, mis au point par Foucault, comporte une lame portant deux contacts qui plongent dans deux godets de mercure qui ferme le circuit alimentant un électroaimant. Celui-ci attire la lame et ouvre le circuit. Cette ouverture ramenant la lame à sa position initiale, il s’en suit une vibration entretenue qui peut atteindre plusieurs centaines d’ouvertures et de fermetures par seconde. Un condensateur, évitant les étincelles de rupture au primaire, complète le montage.

 

La puissance obtenue est extraordinaire. Des étincelles de plus de trente centimètres peuvent être obtenues au secondaire. Les commotions produites sont d’une extrême violence. Des expérimentateurs peu prudents le vérifieront à leurs dépens. Un collaborateur de Ruhmkorff se trouve ainsi renversé par une décharge qui le laisse dans un état d’extrême faiblesse pendant plusieurs jours. Seules des batteries de bouteilles de Leyde avaient, jusqu’à présent produit de tels effets. Mais, avantage de la bobine de Ruhmkorff sur les bouteilles de Leyde, celle-ci ne se décharge pas et produit des hautes tensions permanentes.

 

Les expériences se multiplient. Des blocs de verre de 10 centimètres d’épaisseur sont percés par l’étincelle. Les métaux et les terres les plus réfractaires y sont fondus.

 

Application utile autant que spectaculaire : la bobine peut enflammer plusieurs explosifs de façon simultanée rendant ainsi les travaux des mines et des carrières plus efficaces (la dynamite a récemment été brevetée par Alfred Nobel). Cette pratique vient, hélas, enrichir l’arsenal guerrier et la bobine est célébrée pour avoir permis, en octobre 1860, de faire sauter le fort de Peï-ho pendant l’expédition de Chine et la "guerre de l’opium" qui se termina par le sac du Palais d’été.

 


 


Plus pacifique est l’utilisation de la bobine par les médecins qui en font la nouvelle thérapie à la mode. Mais la bobine se donne aussi en spectacle. On se souvient de l’abbé Nollet faisant sauter en l’air une compagnie de soldats des gardes françaises au moyen de la bouteille de Leyde. A un siècle de distance les démonstrateurs forains des ponts de Paris renouvellent le spectacle.

 


Démonstration de choc électrique par la bobine de Ruhmkorff


Juste reconnaissance, Ruhmkorff se voit attribuer, en 1864, le prix Volta. Les 50 000 francs de ce prix, créé par Napoléon après la visite de Volta à Paris pour récompenser la meilleure application de la pile, n’avaient encore jamais été attribués. Rétabli en 1852 par Napoléon III, Ruhmkorff est le premier à le recevoir.

 

Son générateur à haute tension, qui figure dans le moindre laboratoire, est aussi une source de recherches nouvelles que les plus habiles et les plus volontaires sauront mettre à profit.

 
Vers la découverte des ondes "hertziennes".

 

Né à Hambourg, Heinrich Hertz (1857–1894) est le fils d’un important magistrat de la ville. Jeune homme studieux, il se destine d’abord à la profession d’ingénieur mais son goût pour les mathématiques et les sciences de la nature l’amène à choisir la voie universitaire. D’abord à Munich, à Berlin, à Kiel. En 1884, il intègre l’école supérieure de technique de Karlsruhe dans laquelle il trouve un laboratoire bien équipé.

 

Après avoir étudié différents sujets au gré de ses nominations successives, il s’intéresse alors aux théories de l’électromagnétisme et se plonge dans l’étude des ouvrages de Helmholtz, son professeur à Berlin, de Weber et de Maxwell.

 

Le hasard d’une manipulation l’incite à étudier les étincelles qui éclatent dans un montage, dans des circonstances où elles n’étaient pas attendues. Guidé par ses précédentes études de l’électromagnétisme, cette piste l’amène à prouver l’existence des ondes électromagnétiques proposées par Maxwell. Il présente ses résultats en décembre 1888 dans un mémoire adressé à l’Académie des Sciences de Berlin.

 

Son dispositif comprend un émetteur. Le montage le plus habituellement décrit comprend deux sphères de cuivre, creuses, d’une trentaine de centimètres de rayon. Elles sont reliées par une tige conductrice de 0,5cm de diamètre et de 1,5 mètres de longueur. Cette tige est interrompue en son milieu par un très petit intervalle.

 

 

Les deux sphères sont alimentées par les décharges du secondaire d’une bobine de Ruhmkorff, l’une d’électricité positive, l’autre d’électricité négative. Quand la tension devient suffisante une étincelle éclate dans l’espace ménagé entre les deux tiges. Loin de provoquer la neutralité des deux boules, ce courant se prolonge au-delà de l’équilibre comme par une "inertie" liée à "l’inductance" du circuit. Alors, explique Hertz, dans un texte publié en 1889 dans les Archives de Genève, il se créera sur les deux sphères "des charges inverses de celles qu’elles présentaient d’abord : celles-ci provoqueront une nouvelle décharge, et ainsi de suite, il se produira ainsi une série d’oscillations entre les deux sphères… ". C’est une "sorte de diapason électrique" ajoute-t-il. Un diapason dont la théorie permet de calculer la fréquence à partir de la capacité et de l’inductance du circuit. Hertz estime que la fréquence des oscillations provoquées par son montage est de l’ordre de cent millions de périodes par seconde.

 

Après l’émetteur, le récepteur. C’est un "résonateur" constitué soit par une spire conductrice circulaire de 35cm de rayon ou par un fil disposé en un carré de 60cm de côté. Chacun de ces dispositifs étant interrompu par une ouverture garnie de deux petites boules le laiton dont on peut régler l’écart par une vis micrométrique (ou micromètre à étincelle).

 

Un article publié en France dans la revue "la Nature" en 1889 rend compte des observations réalisées grâce à ce système.

 

" Lorsque le résonateur est placé dans le champ électrique, il se produit entre les boules du résonateur des étincelles visibles, même à 20 et 25 mètres de la bobine. Le mur, une cloison de briques, etc., n’arrêtent pas la propagation des ondulations électriques révélées non seulement à l’aide du résonateur, mais avec deux morceaux de métal quelconque (clefs, pièces de monnaie, etc.), mis en contact et séparés pendant que la bobine fonctionne. Le résonateur donne cependant des résultats toujours plus nets, lorsqu’il est bien proportionné, parce que les mouvements électriques dont il est le siège sont synchrones avec ceux de la bobine…"

 

En disposant de grands miroirs en zinc sur le trajet des radiations électriques, on peut les réfléchir, et répéter toutes les expériences classiques d’optique sur les rayons lumineux.

 

Ces rayons peuvent être polarisés, diffusés, réfléchis régulièrement, exactement, etc., comme les rayons lumineux.

 

En traversant un prisme de poix ou de bitume, les rayons électriques sont réfractés, l’indice de réfraction électrique ayant sensiblement la même valeur que l’indice de réfraction optique. Toutes ces coïncidences et biens d’autres sur lesquelles nous ne saurions insister ici, rendent très probable la théorie de Maxwell et semblent autoriser M. Hertz à considérer les radiations électriques comme des radiations lumineuses de grande longueur d’onde. Voici en effet, quelles sont les conclusions de son dernier Mémoire présenté à l’Académie des sciences de Berlin.

 

"Pour moi, les faits observés me paraissent mettre hors de doute l’identité de la lumière, de la chaleur rayonnante, et des mouvements électrodynamiques. Je crois que l’identité conduira à des conséquences aussi profitables pour la théorie de l’optique que pour celle de l’électricité."

 

Ajoutons que Hertz, par des expériences d’interférences, a pu mesurer la vitesse de propagation de ces ondes et vérifier qu’elle est bien celle de la lumière comme l’avait prévu Maxwell.

 
Les Ondes se propagent dans toute l’Europe.

 

Ces expériences, facilement reproductibles, font rapidement le tour des laboratoires européens.

 

A Genève elles prennent une dimension pharaonique. Pour déterminer avec une précision suffisante la vitesse de propagation des ondes, les physiciens Sarasin et de la Rive veulent réaliser des interférences sur une grande échelle. Un écran de zinc de 8 mètres de hauteur sur 16 de large est placé à 15 mètres de l’émetteur.

 

 

Les ondes incidentes et réfléchies se combinent pour donner des ventres et des nœuds d’oscillation. Un détecteur constitué d’un anneau ouvert d’un faible intervalle est déplacé perpendiculairement à l’écran. Dans les nœuds rien ne se passe, dans les ventres des étincelles éclatent entre les boules placées aux extrémités de l’anneau.

 

La connaissance précise de la longueur d’onde permet ainsi de vérifier l’identité de la vitesse des ondes électromagnétiques et des ondes lumineuses non seulement dans l’air mais aussi dans l’eau ou dans l’alcool.

 

Les partisans de Maxwell triomphent. Qui pourrait encore douter de la véracité de sa théorie ? Son décès prématuré, dix ans auparavant, ne lui aura pas permis d’être lui-même le témoin de ce succès.

 

Hertz lui-même meurt d’une maladie foudroyante 7 ans après sa découverte. Il n’a que 36 ans et ne verra pas le début de ces "ondes radiophoniques" qui vont, dans le siècle qui suivra, transformer notre planète en un vaste village.

 
L’éther existe donc ? L’expérience de Michelson et Morley.

 

L’éther existe. Après les expériences de Hertz, qui pourrait en douter ? Certainement pas tous ceux qui en étaient déjà convaincus.

 

Parmi ceux-ci l’Américain Albert Abraham Michelson (1852-1931). En 1878, il réalise une mesure précise de la vitesse de la lumière et imagine d’en déduire la vitesse de la terre sur son orbite, estimée à une valeur de l’ordre de 30km/s (c’est à dire environ 1/10 000ème de celle de la lumière).

 

Il s’agit de comparer la mesure la vitesse de la lumière dans la direction de la trajectoire de la terre avec sa mesure dans une direction perpendiculaire. L’idée étant que ces deux valeurs doivent nécessairement être différentes dans la mesure où les ondes lumineuses devaient être emportées par le "vent d’éther" balayant la terre dans son mouvement comme le son est emporté par le vent ou un nageur par le courant d’une rivière. De la différence entre les deux mesures de vitesse, il serait possible de déduire la vitesse de la terre.

 

Commencée en 1881 par Michelson seul, l’expérience était poursuivie avec l’aide de son collègue Edward Morley. Le montage de "Michelson et Morley" est connu. Il s’agit d’un interféromètre qui recombine un rayon issu d’une source unique et dirigé dans les deux directions perpendiculaires au moyen d’un miroir semi-réfléchissant. La différence de vitesse devrait pouvoir se mesurer par l’observation des franges d’interférence obtenues.

 

 

Mais le résultat attendu n’est pas là. Aucune différence de vitesse n’est mesurable. Cet éther qui porte la lumière et les ondes hertziennes se dérobe. Existe-t-il vraiment ?

 

Il faudra Einstein et la théorie de la relativité restreinte pour apporter, à cette contradiction, une réponse acceptée par l’ensemble du monde scientifique et cette réponse sera négative.

 

Ce nouveau défi lancé aux physiciens n’empêche pas les applications de se développer.

 
Branly, Marconi et le début de la radiophonie.

 

Le dispositif imaginé par Hertz manque de sensibilité. Au-delà de quelques dizaines de mètres il n’est plus possible de détecter les ondes électromagnétiques. La recherche de la sensibilité passera, en premier lieu par un élément inventé par le physicien français Edouard Branly vers 1890 en utilisant une observation déjà faite par S.A. Varley en 1866 : le "cohéreur".

Dans une communication du 24 novembre 1890, Branly explique le fonctionnement de ce qu'il désigne comme "radioconducteur" refusant le terme de cohéreur. Il considérait, en effet, que la limaille de fer n'était en rien "cohérée" dans le phénomène. Lequel n'est d'ailleurs toujours pas clairement expliqué. :

"Quand on réuni les deux pôles d'un élément de pile par une limaille métallique comprise dans un tube de verre entre deux tiges conductrices, le courant de la pile est arrêté par la limaille, un galvanomètre disposé dans le circuit reste au zéro. Si une étincelle d'une bouteille de Leyde vient à éclater à quelques mètres, le galvanomètre est fortement dévié et reste dévié. La limaille est devenue conductrice et la conductivité persiste. Un choc sur la limaille ou son support fait ouvrir le circuit : la conductibilité de la limaille disparaît. Une nouvelle étincelle à distance ferme le circuit ou l'ouvre par un nouveau choc, et ainsi de suite" (voir aussi dans la Nature 1898)

 

Plus précisément son "radioconducteur" est un tube isolant de quelques millimètres de diamètre rempli de limaille de fer et fermé par deux pistons de laiton exerçant une pression réglable. C’est un "cohéreur" à limaille de ce type qui est utilisé par Marconi en 1897 pour réaliser la première transmission radiotélégraphique avant d'être radiophonique quand le système se perfectionnera.

 

Son émetteur est de la forme classique proposée par Hertz. Un interrupteur télégraphique utilisé pour la télégraphie par fil en alphabet Morse alimente le primaire de la bobine au rythme voulu pour l’écriture des lettres.

 

L’originalité du montage tient dans son récepteur. Il est constitué d’un petit tube de verre, d, de 4cm de longueur, dans lequel sont placés deux conducteurs cylindriques en argent. Ils sont séparés par une distance de ½ millimètre. L’intervalle est empli par un mélange de fine limaille de nickel et d’argent amalgamé par une trace de mercure. Un vide poussé à 4 millimètres de mercure est réalisé dans ce tube.

 

Schéma extrait d'un article de La Nature 1897.

Le tube tient lieu "d’éclateur" dans le circuit secondaire complété par deux volets conducteurs V et V’ dont la capacité variable sert à accorder la fréquence du circuit récepteur sur celui de l’émetteur.

 

Ainsi, la résistance du tube chute brutalement dès qu’un courant de décharge le traverse. Cette chute de résistance est utilisée dans un circuit parallèle alimentant l’électroaimant du "décohéreur". Cet électroaimant actionne un marteau. Sans entrer dans le détail disons que le choc du marteau sur le tube produit un son qui suit le rythme des signaux morses émis à l’émetteur. Le message peut donc être déchiffré à l’oreille. Le même courant qui actionne le marteau peut aussi permettre l’impression des signaux sur une bande.

 

Dans un premier essai, ce système permet à Marconi de transmettre des signaux à 15km de distance et chacun imagine déjà que, bientôt, ce seront les paroles elles-mêmes qui pourront être transmises. Ce qui sera rapidement réalisé.

 

Le succès populaire de cette réussite rend temporairement célèbres les "ondes Marconi" mais, fort heureusement, personne n’a oublié Hertz, le véritable découvreur des ondes électromagnétiques imaginées par Maxwell et aujourd’hui désignées par le terme "d’ondes hertziennes".

 

Juste reconnaissance : le "hertz" est devenu le nom de l’unité de fréquence des phénomènes électriques.

 

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Voir aussi  :

Expériences de Ducretet (La Nature 1898)


Pour en savoir plus on peut lire :

L’Histoire de l’Electricité, de l’ambre à l’électron, Gérard Borvon, Vuibert.

 

Commentaires sur Amazon

 

C.B : L’histoire de l’électricité est très bien racontée par Gérard Borvon. Ce livre n’est pas du tout rigide et formel, il se lit très bien et c’est ce qui fait qu’on retient plus de choses ! Les anecdotes y sont très bien rapportées et on s’amuse à les lire. Ce livre casse la malheureuse idée rigide et complexe que l’on peut avoir des sciences, on apprend en s’amusant et ça réconcilie les gens avec la physique, tant mieux !!!

 

A.R : Ce livre permet d’appréhender clairement les différents concepts historiques qui ont permis d’élaborer la théorie actuelle de l’électricité.
Je le recommande particulièrement à tous ceux qui ont été rebutés au cours de leur scolarité par l’enseignement de cette matière.Vous comprendrez par exemple pourquoi la charge de l’électron est négative et non positive, d’où vient les signes + et -...et beaucoup de choses qui ne sont malheureusement pas enseignées au collège ou au lycée.
Merci à l’auteur.

 

Sur le Bulletin de l’Union des Physiciens :

 

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

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