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13 janvier 2011 4 13 /01 /janvier /2011 19:31
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12 janvier 2011 3 12 /01 /janvier /2011 14:39


 

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.


 

 

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.


 

voir aussi :

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


 

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

Le retour de Franklin.

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

 

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

 

Malgré cette prudence il faut bien choisir l’un des modèles pour interpréter les phénomènes électromagnétiques, c’est alors le fluide unique et le modèle de Franklin qui auront sa préférence : "S’il existe une substance pénétrant tous les corps, dont le mouvement constitue le courant électrique, l’excès de cette substance dans un corps, au delà d’une certaine proportion normale, constitue la charge observée de ce corps".

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Le triomphe cependant n’est pas total :

 

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

 

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

 

Situation bloquée.

 

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

 

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

 

Cette découverte est-elle un évènement suffisant pour provoquer une révolution dans les conventions électriques ? Il faut constater qu’on s’accommodera de ces électrons qui se déplacent dans le sens inverse du sens "conventionnel".

 

Ce déplacement n’est d’ailleurs pas spectaculaire. Nous pouvons à présent répondre à l’interrogation de Maxwell. La vitesse du courant d’électrons dans un courant continu n’est pas de plusieurs millions de lieues à la seconde et si elle est quand même supérieure à un centième de pouce à l’heure, elle ne dépasse pas quelques centimètres à l’heure.

 

Ce résultat parle peu à l’imagination. Ce lent courant d’électrons s’accorde mal avec la puissance observée des phénomènes électriques. C’est peut-être pourquoi on préfère continuer à raisonner sur le courant mythique des premiers temps de l’électricité qui se précipitait du pôle positif où il était concentré vers le pôle négatif où il avait été raréfié.

 

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

 

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

 

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12 janvier 2011 3 12 /01 /janvier /2011 14:10

 

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 ? "


 

Voir la vidéo sur le site Ampère/CNRS

 


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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Dans le domaine de la physique il se décrit lui-même comme un amateur. Né à Boston en 1706, il est autodidacte.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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30 janvier 2010 6 30 /01 /janvier /2010 07:34

Au moment où le tramway et les voitures électriques font l’actualité parisienne couplés avec le problème de la pollution de l’air et celui de la lutte contre l’effet de serre, il peut être instructif de se pencher sur l’histoire des débuts de la locomotion automobile qui, comme nombre de nouveautés, commence à Paris.

 

Une période où la principale pollution parisienne était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.

 

(première mise en ligne 22 février 2007.)

 


Les premiers Tramways : le choix de l’électricité.

 

Parlons d’abord du Tramway.

 

Ce n’était pas une invention nouvelle : des voitures sur rail transportant de nombreux voyageurs et tractées par des chevaux circulent déjà sur des lignes exploitées par plusieurs compagnies privées. Cependant, à partir de 1892, la préfecture de Paris autorise les compagnies exploitantes à adopter des véhicules pourvus d’une traction autonome.

 

L’air comprimé

 

La "Compagnie générale des omnibus" qui exploite les lignes Cours-de-Vincennes-saint-Augustin, Louvre-Versailles et Louvre-Saint-Cloud, choisit des moteurs à air comprimé qui fonctionnent déjà sur les tramways nogentais. Une méthode non polluante dont on parle encore aujourd’hui sans oser l’adopter massivement alors qu’elle est tout à fait réaliste.

 

L’électricité

 

La "Compagnie des tramways de Paris et du département de la Seine" adopte la traction électrique sur les lignes qui lui sont concédées à savoir : Madeleine-Saint-Denis, Neuilly-Saint-Denis, Saint-Denis-Châtelet.

 

Ces élégantes voiture de 56 places disposent d’une impériale couverte. Chacun de ses essieux sera muni d’une dynamo Gramme ou Siemens de 15 chevaux et seront autorisées à rouler à une vitesse de 12 km/h à Paris et de 16 km/h au-delà des fortifications.

 

Les voitures fonctionneront sur batteries d’accumulateurs. La station centrale pour la charge des accumulateurs est établie à Saint Denis, au dépôt des tramways route de Gonesse. Un frein électrique puissant permettra d’arrêter le véhicule sur une distance de 3 mètres. Sécurité et respect de la qualité de l’air font partie des impératifs du moment.

 

En 1898 la Compagnie exploite une nouvelle ligne joignant République à Aubervilliers et à Pantin. L’alimentation se fait par accumulateurs en ville et par trolleys aériens extra muros. L’usine d’alimentation électrique se trouvant à Aubervilliers.

 

 

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2007. Le tramway revient à Paris.
 

Quand le moteur remplace les chevaux des fiacres.

 

Entre le 1er et le 12 Juin 1898, l’automobile club de France organise un "concours de fiacres automobiles". Le programme impose un parcours varié, au minimum de 60 km par jour sur une durée de 16 heures. Il est précisé que tous les véhicules doivent offrir le confort maximum aux passagers, qu’ils doivent être munis d’un compteur kilométrique, de deux freins (l’un progressif, l’autre instantané) et d’une marche arrière.

 

Sur les 26 véhicules inscrits, 16 sont électriques, 10 à essence de pétrole. Après 11 jours de tests sévères, une parade est prévue pour le 12 Juin jusqu’à Versailles avec retour par le bois de Boulogne. Le 15 juin ils seront livrés à l’admiration de parisiens dans une des premières expositions automobiles.

 

Le premier jour du concours seules 12 automobiles seront au rendez vous : 11 électriques et une seule à pétrole.

 

La voiture à essence de pétrole a fonctionné correctement avec une vitesse supérieure à celle indiquée mais elle ne reçoit aucun prix : elle consomme de trop à un moment où l’essence de pétrole coûte cher. D’autre part, son prix de construction est très élevé.

 

"Il semble désormais acquis par l’expérience que le fiacre à moteur à essence de pétrole ne saurait constituer un système d’exploitation de voitures publiques dans une grande ville" devait déclarer le jury.

 

Un propos que, cent ans après et pour d’autres raisons, nous pouvons reprendre à notre compte : le moteur à essence n’a plus sa place dans une grande ville. Dans moins de cent ans il n’aura d’ailleurs plus sa place nulle part car il n’y aura plus de pétrole. Moins de deux siècles auront suffi pour transformer une richesse accumulée dans le sol pendant des millions d’année en un dangereux déchet atmosphérique.

 

Les voitures électriques sur le podium.

 

Le premier prix de 1000 francs a été attribué à deux constructeurs. M. Kriéger pour un "coupé à galerie" et M. Jeantaud pour un "cab". Il s’agit encore de voitures à chevaux, coupé ou cabriolet, mais sans chevaux. Elles en ont gardé la forme et le nom.

 

 

Le fiacre de la compagnie des transports automobiles a reçu le second prix de 600 francs. On imagine déjà pour l’année suivante un concours d’accumulateurs afin d’améliorer le poids et l’autonomie des véhicules. Pour le moment le champion est l’accumulateur "fulmen" du constructeur Brault.

 

Une affaire sérieuse

 

Il ne faut pas un an avant que les premiers fiacres électriques roulent à Paris. La "compagnie générale des voitures" a mis au point un modèle de série dont l’originalité réside dans le fait que les accumulateurs sont amovibles. Au lieu de les recharger sur le véhicule lui-même, et donc d’immobiliser celui-ci, ils le sont à l’usine. La capacité des accumulateurs est de 135 ampère-heure et permet un trajet de 60 km. Un simple passage par l’usine sur le trajet permet de ne pas interrompre le service.

 

L’usine est construite à Aubervilliers, rue du pilier, sur un terrain de quatre hectares. Près de l’usine de charge des batteries, un circuit parsemé d’obstacle permet de former les conducteurs. La piste est formée des sections de nature variable : pavés de bois, de grès, macadam, asphalte, bitume, pavés gras… avec des rampes de 5, 8 et 10%. Sur la route des silhouettes de femmes, d’enfants, une poussette, une bicyclette…

 

Les industriels initiateurs du projet ont fait un pari. Bientôt se tiendra à Paris l’exposition universelle de 1900 qui devrait être le clou du siècle. Ils espèrent mettre 1000 véhicules en circulation.

 

La première voiture de tourisme est, elle même, électrique

 

Un public riche et "moderne" existe pour des véhicules autonomes à faire parader au bois de Boulogne. Les constructeurs sauront répondre à cette demande.

 

 

La voiture électrique ci-dessus peut même se recharger en chemin. Dans le coffre, un petit moteur à pétrole permettra de recharger la batterie défaillante.

 

La suite de l’histoire ?

 

Le moteur à explosion a, lui aussi une vieille histoire. C’était d’ailleurs l’objet principal de la recherche du français Nicéphore Niepce, plus connu pour avoir "inventé" la photographie.

 

Dès le début du siècle il avait été capable de faire circuler sur la Tamise une barque propulsée par une hélice reliée à un moteur à explosion. Si le principe était bon, il manquait le combustible commode. Niepce pour sa part utilisait les spores très fins d’un champignon, le lycopode, dont la poudre, très inflammable, était utilisée au théâtre pour simuler la foudre.

L’invention eut peu de succès mais l’idée n’était pas perdue. Vers 1890 des mécaniciens habiles imaginaient d’utiliser les vapeurs d’essence de pétrole pour déclencher l’explosion. En 1896, un certain Diésel proposait un moteur astucieux.

 

Ces moteurs bruyants et malodorants avaient un avantage : ils autorisaient des véhicules plus légers et plus rapides. Exactement ce qu’il fallait pour organiser, hors des villes, les premières grandes courses automobiles.

 

Rapidement, la faveur de ces courses amènera à améliorer les performances des moteurs. A la sagesse du transport en commun urbain allait succéder la folle aventure de la vitesse et du tourisme et l’emballement du transport routier.

 

A présent qu’un nouveau cycle commence, qui verra la fin de l’ère du tout pétrole, la "belle époque" semble vouloir nous faire un clin d’œil.

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Une voiture électrique en 2007 qui garde bien des caractéristiques de son ancêtre de 1898.

Mieux encore. L’alliance de deux inventions des années 1900 : la bicyclette et la voiture électrique.

 

Un vélo-taxi "hybride" (moitié sueur, moitié kwh), croisé dans Paris le 3 juillet 2008.



Voir encore :

diaporama

ou :

1925, voiture électrique, le retour.


 

Voiture électrique ou voiture nucléaire ?

 

Pour alimenter les voitures électriques faudra-t-il de nouvelles centrales nucléaires ?

 

 

Ne peut-on lier le développement des voitures électriques avec celui de l’électricité renouvelable ?

 

Par exemple avec des voitures solaires ?

 

 

Pour lutter contre l’effet de serre ne faudrait-il pas plutôt limiter les voitures individuelles et développer les transports en commun ?

 

Le débat est ouvert.


Voir aussi :

 

Histoire de l’électricité. L’exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.


Pour une histoire complète de l’électricité voir l’ouvrage publié en septembre 2009 chez Vuibert

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On parle aussi des premières voitures électriques dans :

 

Histoire du carbone et du CO2.

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Dérèglement climatique, fonte des glaces, cyclones, sécheresses…,


coupable : le dioxyde de carbone.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

Seront-ils entendus ?

 

Un livre chez Vuibert.

 

feuilleter

 

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29 janvier 2010 5 29 /01 /janvier /2010 11:33

Le bonhomme d’Ampère nous donne l’occasion de conclure un cours d’électricité sur le magnétisme d’un façon ludique en proposant aux volontaires de dessiner un bonhomme d’Ampère de leur choix.

 

Nous proposons ci-dessous quelques-unes des œuvres réalisées par des élèves landernéens des années 80/90 du siècle déjà passé.


Premier réflexe : caricaturer le prof.


Le même dans une nouvelle version.


 

La mode "punk" faisait fureur et il n’était pas exclu de voir un iroquois se battre au tableau avec la loi de Laplace. Ce bonhomme particulièrement réussi aurait sa place dans un musée d’art contemporain.


Mais le "hippy" aussi se portait bien.


 

En Bretagne, c’est la période Plogoff. Les lycéens de Landerneau ont été nombreux à y aller faire un tour. Les lance-pierres des manifestants échangent leurs projectiles avec les fusils lance-grenades des gardes mobiles. L’auteur de ce dessin choisit le "peace and love". Faites l’amour et pas le nucléaire !


 

Fin de la guerre froide. Le mur de Berlin est tombé. George Bush converti ?


Symbole de la fin des idéologies ?


 

Le MLF se réveille. Assez de la domination des mâles dans les sciences. ! Et pourquoi pas une "bonne-femme d’Ampère"


 

Et la défense des animaux ? Ne faudrait-il pas aussi rendre à la grenouille ce qui n’appartient pas au seul Galvani ?


 

Encore une bonne-femme d’Ampère directement sortie de sa bande-dessinée.


La BD inspire


Quatre Daltons pour un bonhomme


La tête de qui sur le billot ?


 

Du Bonhomme au Tire-bouchon.

 

Après Ampère et son bonhomme place à Maxwell et sa vis : le sens positif des lignes de champ circulaires qui entourent un fil parcouru par un courant est celui dans lequel tourne une vis qui avance dans le sens du courant.

 

Les français, peuple de "poètes", ont remplacé la vis de Maxwell par un tire-bouchon.


 

Concilier "bonhomme d’Ampère" et "Tire-bouchon de Maxwell" : une bonne idée à consommer modérément.


Pour en savoir plus :

 

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

 

Les auteurs de ces dessins ont également, sans le savoir, participé au livre :

Histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron. Vuibert, 2009. Table des matières

Ci-dessus : Version féérique d"une "bonne-femme d’Ampère".


Pour nous contacter


Voir aussi :

 

Sur le sire ampère.cnrs Quelques bonshommes... par des potaches du XXe siècle

 


 

 

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8 mai 2009 5 08 /05 /mai /2009 05:28

De Galvani à Volta.

La découverte de la pile électrique.

par Gérard Borvon

 

         Qu'est devenue la science électrique à l'orée du 19ème siècle ? Conducteur, isolant, fluides électriques positifs et négatifs, sont devenus des concepts bien établis. Des machines électriques ont été perfectionnées, alimentant des batteries de bouteilles de Leyde. Dans les foires, dans les "cabinets de curiosités", elles ont attiré des foules de badauds. On connaît la nature électrique de la foudre et on sait s'en protéger.

 

Pourtant, après ces premiers succès spectaculaires, l'électricité semble, à nouveau, être venue se réfugier dans le cabinet du médecin. Le seul endroit où elle paraisse utile. Même si la bouteille de Leyde n'a pas répondu aux attentes des paralytiques, un bon "choc électrique" donnera encore l'illusion d'une thérapie efficace.

 

Plus sérieusement cependant, un biologiste curieux peut vouloir comprendre l'influence de l'électricité sur les corps animés et en particulier sur les muscles. Parmi ceux-ci, Galvani.

 

 

Galvani et les grenouilles.

 

         Aloysius Galvani (1737-1798) est professeur d'anatomie à l'université de Bologne. Comme beaucoup de ses confrères physiologistes, il possède une solide formation de chimiste et de physicien. Concernant l'électricité, il y voit l'un des moteurs de la vie animale. Le fluide nerveux ne serait-il pas un fluide électrique ? Galvani, chercheur méthodique, étudie plus généralement les facteurs susceptibles d'exciter les nerfs et de provoquer une contraction musculaire. La grenouille devient dès lors son partenaire principal.

 


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dessin de Laëtitia B. 1ère S du lycée de l’Elorn à Landerneau. Année 1991-92
cliquer sur l’image.


 

         En débarrassant une grenouille fraîchement tuée de sa peau et en sectionnant son arrière-train, on libère facilement les nerfs qui commandent les muscles de ses cuisses (les nerfs cruraux). Ces nerfs peuvent alors faire l'objet de stimulations diverses, mécaniques, thermiques, chimiques... électriques.

 

         Depuis 1772, Galvani fait régulièrement parvenir le résultat de ses recherches à l'Académie de Bologne. Comptes-rendus sages jusqu'à ce soir de l'année 1780 où le hasard se mêle à la partie. Galvani se trouve alors dans son laboratoire où il répète, avec quelques élèves, certaines des expériences sur l'excitation des muscles de grenouille. Une grenouille a été sacrifiée et son arrière-train repose sur la table du laboratoire.

 

A distance respectable, une machine électrique se trouve sur la même table. Un assistant est justement occupé à l'actionner pour des expériences de physique. En ces années 1780, les machines électriques sont déjà puissantes. Celle conçue par Van Marum, physicien hollandais, utilise un disque de verre frotté, associé à de volumineuses bouteilles de Leyde. Elle autorise la production d'étincelles qui prennent la forme de véritables arcs électriques.

 

Revenons à la cuisse de grenouille. N'a-t-elle pas encore été totalement apprêtée ? Toujours est-il qu'un assistant touche, de la pointe de son scalpel, l'extrémité du nerf qui a été dégagé. Au même moment il observe une exceptionnelle contraction des membres de l'animal comme "pris de convulsions tétaniques".

 

Plus que la violence des contractions, les circonstances de leur production sont extraordinaires. Combien de grenouilles n'a-t-on pas déjà disséquées et combien de fois n'a-t-on pas porté le scalpel sur un nerf sans qu'aucun effet notable ne s'en suive ?

 

 

Expérience de Galvani

(Les Merveilles de la Science)

 

Fort heureusement, à distance, se trouve une personne attentive : madame Lucia Galvani. Elle n'est pas dans le laboratoire par hasard, c'est une collaboratrice constante de son mari et elle est rompue aux observations scientifiques. C'est donc elle qui sait voir que, le scalpel touchant le nerf, les contractions n'apparaissent qu'au moment exact où une étincelle éclate à la machine ! Madame Galvani, après plusieurs observations répétées en informe alors son mari :

 

"Emerveillée de la nouveauté du fait, elle vint aussitôt m'en faire part. J'étais alors préoccupé de toute autre chose ; mais pour de semblables recherches, mon zèle est sans bornes, et je voulus répéter par moi-même l'expérience et mettre au jour ce qu'elle pouvait présenter d'obscur. J'approchais donc moi-même la pointe de mon scalpel tantôt de l'un, tantôt de l'autre des nerfs cruraux, tandis que l'une des personnes présentes tirait des étincelles de la machine. Le phénomène se produisit exactement de la même manière : au moment même où l'étincelle jaillissait, des contractions violentes se manifestaient dans chacun des muscles de la jambe, absolument comme si ma grenouille préparée avait été prise de tétanos". (mémoire en latin adressé en 1790 à l'académie de Bologne - traduction par Louis Figuier - Merveilles de la Science - tome I -  page 604).

 

L'histoire devient rapidement légende. Dans l'une des versions les plus répandues, madame Galvani est réduite au rôle d'une brave ménagère venue apporter un bouillon de cuisses de grenouilles à son mari enrhumé. Le siècle admet difficilement que des femmes, Madame Lavoisier ou Madame Galvani, puissent avoir joué un quelconque rôle dans le domaine des sciences. Louis Figuier, remarquable vulgarisateur de la fin du 19ème siècle, rapporte que, déjà étant élève de terminale de son lycée, il avait relevé, dans les manuels en usage, 21 versions différentes de cette histoire. Même Alibert dans son "éloge historique de Galvani"   et Arago, dans son "éloge historique de Volta" n'échapperont pas à la mode.

 

 

Il serait certainement amusant de rechercher les nouvelles fantaisies dont la liste aurait pu s'enrichir dans le siècle qui a suivi.

 



La légende de Mme Galvani.(Laëtitia B).


 

Emerveillé lui-même, Galvani consacrera six longues années à étudier le phénomène. Deux éléments entrent en jeu dans l'excitation du nerf : l'étincelle électrique et le corps étranger touchant l'extrémité du nerf.

 

Les premières expériences portent sur le corps étranger. Après avoir multiplié les tests, Galvani constate qu'il doit simplement être conducteur. On ne s'étonnera pas de ce résultat aujourd'hui où nos toits sont hérissés d'antennes conductrices, captant et transformant en courants électriques les ondes électromagnétiques diffusées à distances par des émetteurs divers (ce rôle étant joué ici par la machine produisant des étincelles, le scalpel tenant lieu d'antenne).

 

La seconde série d'expériences porte sur la nature de l'étincelle. Qu'elle soit issue d'une machine ou d'une bouteille de Leyde. Qu'elle soit extraite d'un corps chargé positivement ou négativement, le résultat est le même.

 

Poussant sa recherche jusqu'à l'extrême, Galvani imagine de ne pas cantonner son observation à la modeste étincelle produite par une machine mais, à l'image de Franklin, de tester la foudre. Galvani fait élever une pointe de fer au-dessus de sa maison, un fil métallique partant de cette tige est amené dans son laboratoire jusqu'au crochet soutenant l'arrière train d'une grenouille. Galvani sait-il qu'en 1753, un tel montage a foudroyé le physicien Richmann ? On peut le penser, mais la curiosité scientifique fait bien souvent oublier la prudence. La tentative en valait d'ailleurs la peine car le succès est au rendez-vous. Quand un orage approche, la chute, à distance, d'un éclair, même modeste, provoque la contraction du muscle de grenouille.

 

Il semble, même, que de faibles variations de l'état électrique de l'atmosphère puisse avoir de l'influence. Pour s'en assurer Galvani se propose un montage simple : il consiste à suspendre, par un crochet (qui se trouve être de cuivre), une cuisse de grenouille à la balustrade de fer de son logement. Le 20 septembre 1786, le ciel est résolument bleu et rien ne se passe. Pourtant, dans la vie de Galvani, tout bascule.

 

 

 

Galvani teste l'électricité atmosphérique.

(Les Merveilles de la Science)

 

Lassé d'observations sans succès et prêt à renoncer, Galvani frotte le cuivre du crochet contre le fer du balcon, dans le but, semble-t-il, de rendre le contact plus efficace. Aussitôt les pattes de la grenouille se contractent. Il en est ainsi à l'occasion de chaque nouveau contact. Le phénomène se reproduit également dans le laboratoire avec une plaque de fer et un crochet de cuivre bien décapés.

 

Sur le balcon de Galvani. (Laëtitia B).

 

Aucun besoin d'une machine électrique, inutile d'attendre un éclair d'orage ! L'électricité responsable de la contraction peut donc également ne résulter que d'une cause interne au montage utilisé. Une cuisse de grenouille, un crochet de cuivre, une plaque de fer se suffisent à eux mêmes !

 

Pour Galvani, physiologiste à la recherche de la nature de l'influx neveux, le doute n'est pas permis. Seul le muscle de la grenouille est capable de produire cette électricité. L'expérimentateur s'est contenté de découvrir le dispositif le plus favorable à sa circulation. Et ce dispositif est simple : il suffit de constituer un arc conducteur entre le nerf et l'extérieur du muscle. Le fer et le cuivre, pense Galvani, n'ont pas d'autre rôle que celui de fermer le circuit. Un simple et unique fil métallique semble d'ailleurs convenir même si son efficacité est très faible. Le meilleur résultat, cependant, demande un montage complexe : il faut entourer l'extrémité du nerf d'une feuille d'étain, les muscles d'une feuille d'argent et relier ces métaux par un fil de cuivre. Nous le savons aujourd'hui, Galvani réalise ainsi une superbe "pile" du type de celle qui nous agace quand nous touchons l'or d'une couronne dentaire avec la pointe d'une fourchette d'acier.

 

Mais Galvani suit son idée et ne cherche pas à tirer parti de l'observation qu'il fait de la meilleure efficacité d'une chaîne de métaux différents. Le muscle et le nerf, seuls, l'intéressent et l'interprétation lui semble évidente : le muscle est une "bouteille de Leyde" dont le nerf serait en relation avec l'armature interne et dont la surface serait l'armature externe. "Il y a une telle identité apparente de causes, dit-il, entre la décharge de la bouteille de Leyde et nos contractions musculaires, que je ne puis détourner mon esprit de cette hypothèse". Le "muscle - bouteille de Leyde", se chargerait par un processus biologique pour se décharger brutalement après l'établissement d'un circuit conducteur externe. Ce courant de décharge étant à l'origine de la contraction musculaire.

 

L'idée d'une électricité d'origine biologique n'est pas nouvelle. Dès la découverte de la bouteille de Leyde, plusieurs physiciens, dont Musschenbroek lui-même, en avaient comparé les effets à ceux de la "Torpille". Depuis l'Antiquité on connaît ce poisson particulier de la famille des raies et dont le contact produit, sur ses victimes, un choc suivi d'une étrange "torpeur". On sait aujourd'hui que, même si les tensions mises en jeu sont inférieures aux dizaines de milliers de volts de la bouteille de Leyde, elles sont cependant de l'ordre de 500 volts. Tension suffisante pour secouer un homme adulte et pour assommer le menu fretin d'une pêche électrique  garantie "biologique".

 

L'idée d'un "muscle - bouteille de Leyde" n'est pas, non plus, totalement fausse. On sait aujourd'hui qu'il existe bien une différence de potentiel entre l'intérieur et l'extérieur d'un muscle au repos. Mais elle est, au plus de quelques dizaines de millivolts et ne peut procurer les contractions observées.

 

Galvani fait connaître l'ensemble de ses travaux dans les "Mémoires de l'Académie de Bologne" publiés en l'année 1791. A cette occasion il énonce l'hypothèse d'une "électricité animale" responsable des phénomènes vitaux. La théorie est séduisante. Elle rencontre l'adhésion des physiologistes qui, déjà, soupçonnent l'importance des phénomènes électriques dans le fonctionnement des organismes animaux. Elle fait le bonheur des médecins qui imaginent pouvoir justifier, avec plus de force, la présence de machines électriques dans leur cabinet. Peut-être, un jour, l'électricité fera-t-elle réellement marcher des paralytiques, peut-être soulagera-t-elle un cœur fatigué, peut-être rendra-t-elle l'audition aux sourds et la vue aux aveugles ?

 

L'hypothèse se heurte, aussi,  à de solides oppositions. Surtout de la part des physiciens. Dans le couple "métal/muscle", leur spécialité les amène à privilégier les métaux plutôt que les tissus vivants.

 

Parmi ceux-ci, un confrère italien de Galvani : Alexandre Volta (1745-1827).

 

Volta et la pile électrique.

 

         Volta est un professeur de physique qui enseigne d'abord à Côme puis à Pavie. C'est un scientifique "voyageur". On le trouve en Suisse où il rencontre Voltaire, en hollande où Van Marum lui présente sa célèbre "machine électrique", en Angleterre où il est reçu par Priestley, à Paris où il travaille avec Lavoisier.

 

Il est aussi l'auteur d'une abondante correspondance académique qui lui vaut un succès d'estime dès ses premiers travaux. Son "pistolet électrique" est particulièrement célèbre. Conçu vers 1777, il est constitué d'un tube traversé par deux électrodes et fermé par un bouchon à l'intérieur duquel on emprisonne un mélange d'air "inflammable" (hydrogène) et d'air "vital" (oxygène). Quand une étincelle est provoquée entre les deux électrodes, une explosion se produit qui expulse le bouchon avec violence. Plus tard ce dispositif prendra la forme plus sage d'un "eudiomètre" permettant la mesure des volumes gazeux intervenant dans ces réactions explosives. Volta l'utilisera ainsi pour étudier la combustion du "gaz des marais", c'est à dire du méthane recueilli dans le fond vaseux des marécages.

 

Volta, comme tous ses confrères européens, est fasciné par les observations de Galvani et son hypothèse de l'électricité animale. Après vérification, il adopte dans un premier temps les vues de son collègue de Bologne. Pourtant, rapidement, sa formation de physicien reprend le dessus. Là où Galvani voyait de "l'électricité animale", il trouvera de "l'électricité métallique. "Lorsque deux métaux sont en contact l'un avec l'autre, par suite de ce contact, par l'effet de cette hétérogénéité de nature, il y a développement d'électricité", estime-t-il.

 

Nous ne donnerons pas ici le détail de la lutte acharnée entre Galvani, Volta et leurs disciples respectifs. Si Volta vérifie la production d'électricité métallique en testant la série la plus étendue possible de couples métalliques, Galvani lui répond en obtenant la contraction d'une cuisse de grenouille tout simplement en recourbant le nerf et en l'appliquant sur la partie externe du muscle. Aucun besoin d'un métal : match nul !

 

Pourtant la victoire finira par tomber de façon éclatante dans le camp de Volta le jour où il imaginera la "pile" qui le rendra célèbre.

 

Mais avant d'aller plus loin, évoquons deux "inventions" de l'habile expérimentateur qu'est Volta. D'abord l'électromètre à brin de paille : deux brins de pailles sont suspendus ensemble dans un flacon bien sec à une tige conductrice. Celle-ci traverse le bouchon et supporte un plateau métallique. Quand on touche le plateau d'un corps chargé d'électricité, les deux pailles s'écartent. Amélioré, ce montage, déjà très sensible, deviendra électromètre à feuilles d'or.

 

Citons ensuite l'électrophore qui deviendra "condensateur", nom attribué par Volta à deux disques de laiton soigneusement poli et recouverts d'un vernis isolant, placés l'un sur l'autre, face isolante en regard. Sans entrer dans le détail de son fonctionnement, disons que le "condensateur" permet de charger plusieurs fois de suite l'un de ses plateaux par l'action à distance d'un corps électrisé sans avoir à décharger celui-ci. Associé à un électroscope, il permet de multiplier et donc de mieux observer les effets d'une infime charge électrique.

 

Muni de ces deux appareils, Volta est donc bien armé pour explorer le délicat mécanisme mis en jeu dans l'expérience de Galvani. C'est ainsi qu'il affirme constater que deux métaux différents, mis simplement en contact, se trouvent chargés l'un négativement, l'autre positivement, quand on les sépare.

 

Explication ? Volta imagine que les métaux sont non seulement conducteurs du fluide électrique mais encore "moteurs" de ce fluide. Ce fluide est, pour Volta, le fluide unique de Franklin. Pour le faire circuler, inutile de s'encombrer d'une machine : le simple contact entre deux métaux différents suffit à le faire passer de l'un à l'autre. Tous les couples n'ont d'ailleurs pas la même efficacité. Parmi ceux testés par Volta le couple Argent/Zinc lui semble le plus efficace. Quand on associe ces deux métaux le fluide électrique "passe de l'Argent au Zinc"  de telle sorte qu'une "tension électrique" positive se crée dans le zinc pendant qu'une "tension" négative apparaît dans l'argent.

 

Une "tension " : un mot nouveau vient enrichir le vocabulaire électrique en même temps que le terme de "électromoteur", par lequel Volta désigne le couple des deux métaux siège d'une "force électromotrice".

 

Les choses se passent-elles vraiment si simplement ? En réalité, pour observer les tensions positives ou négatives des métaux de ses couples, Volta est bien souvent obligé d'user d'un artifice : une rondelle de carton ou de feutre humide entre le métal et la plaque de cuivre de l'électroscope.

 

Ce simple conducteur n'influe en rien sur le phénomène, affirme Volta, mais a uniquement pour rôle de renforcer le contact électrique.

 

L'usage de ce "conducteur" humide permet aussi d'associer en série plusieurs couples métalliques en intercalant une rondelle imbibée de liquide entre deux couples successifs. Avec 2,3 ou 4 couples ont augmente les tensions entre les métaux extrêmes dans les mêmes proportions. Et pourquoi s'arrêter à quatre ?

 

Posez, dit Volta, une pièce d'argent sur une pièce de zinc, puis une rondelle de carton ou de feutre humide sur le zinc et poursuivez par couches successives jusqu'à vingt ou plus de couples. Vous obtenez ainsi une "colonne" formée d'éléments empilés. Une "pile" dira-t-on bientôt.

 


La "pile" de Volta. (Laëtitia B).

 

Si cette colonne, nous dit Volta, "parvient à contenir environ vingt de ces étages ou couples de métaux, elle sera déjà capable, non seulement de faire donner des signes à l'électromètre de Cavallo, aidé du condensateur au-delà de dix ou quinze degrés, de charger ce condensateur au point de lui faire donner une étincelle, mais aussi de frapper les doigts avec lesquels on vient toucher ses deux extrémités."

 

C'est par une lettre adressée le 20 mars 1800 à Joseph Banks, président de la Royal Society de Londres, que Volta fait part au monde des électriciens de la naissance de ce nouvel enfant de la science électrique. Dès les premiers mots Volta soigne sa mise en scène :

 

La pile de Volta

(Les Merveilles de la Science, y lire aussi la lettre de Volta)

 

" Après un long silence dont je ne chercherai pas à m'excuser, j'ai le plaisir de vous communiquer, Monsieur, et par votre moyen à la société royale, quelques résultats frappants auxquels je suis arrivé en poursuivant mes recherches sur l'électricité excitée par le simple contact des métaux de différentes espèces...

 

Le principal de ces résultats, et qui comprend à peu près tous les autres, est la construction d'un appareil qui ressemble par ses effets (c'est-à-dire pour les commotions qu'il est capable de faire éprouver dans les bras", etc.) aux bouteilles de Leyde, et mieux encore aux batteries électriques faiblement chargées, qui agiraient cependant sans cesse, et dont la charge, après chaque explosion, se rétablirait d'elle-même ; qui jouirait en un mot dune charge indéfectible, d'une action sur le fluide électrique , ou impulsion, perpétuelle...

 

Oui, l'appareil dont je vous parle, et qui vous étonnera sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de différentes espèces, arrangés d'une certaine manière. Vingt, quarante, soixante pièces de cuivre, ou mieux d'argent, appliquées chacune à une pièce d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc et un nombre égal de couches  d'eau ou de quelque autre humeur qui soit meilleur conducteur que l'eau simple, comme l'eau salée, la lessive, etc. ; ou des morceaux de carton, de peau, etc., bien imbibés de ces humeurs... "

 

Suit une description précise de l'appareil et de ses effets. L'empilement peut d'ailleurs être plus commodément remplacé par un autre dispositif comme le propose Volta lui-même dans ce qu'il nomme un "appareil à couronne de tasses". Nous présenterons, dans un prochain chapitre, quelques dispositifs de ce type. Cependant, le succès du mot "pile" est tel qu'il se maintiendra dans le vocabulaire électrique jusqu'à nos jours même si une "pile alcaline", une "pile à combustible" ou une "pile photovoltaïque" sont bien loin de correspondre à un quelconque empilement !

 

La lettre de volta est lue devant les membres de la Royal Society le 26 juin mais dès le mois d'avril son contenu était connu des membres de la société. On imagine facilement la perplexité des savants réunis et l'agitation de leurs laboratoires dans les jours qui ont suivi. Dès le mois de Juillet, le "Journal philosophique de Nicholson" publiait à la fois la lettre de Volta et le récit d'une multitude d'expériences aussitôt exécutées par ceux qui en avaient été informés.

 

En France, l'Académie des Sciences, institution royale, a été remplacée par l'Institut National des Sciences. Volta est invité à y présenter son mémoire  en public. Cette lecture occupe trois séances consécutives les 16, 18 et 20 brumaires de l'an IX (Novembre 1800). Après chaque séance, Volta exécute les expériences décrites dans son mémoire. La seconde séance, à laquelle assiste Bonaparte provoque chez celui-ci un profond sentiment d'admiration pour le savant italien qu'il conservera toute sa vie. Au moyen d'une pile de quarante quatre couples, Volta produit de fortes commotions mais aussi des étincelles, la combustion d'un fil de fer et même la décomposition de l'eau.

 

Il fait également réaliser l'expérience du pistolet électrique, parfaitement adaptée au célèbre militaire auquel il s'adresse. Deux électrodes traversent la paroi d'une éprouvette à gaz, de la forme d'un pistolet, renfermant un mélange "tonnant" d'hydrogène et d'oxygène dans les proportions déterminées par Lavoisier. L'étincelle provoquant l'explosion, habituellement générée par une machine à friction, comme celle de Van Marum qui équipait le laboratoire de Lavoisier, est cette fois déclanchée par la pile. Le bruit de l'explosion et la violence avec laquelle fut expulsé le bouchon fermant le "pistolet" réveillèrent un auditoire qui n'était pas nécessairement uniquement composé de "savants".

 

Les appareils de Volta (Revue "La Nature", 1881)

 

La séance étant finie, Bonaparte, lui-même membre de l'Institut, propose de décerner à Volta une médaille d'or qui "servirait de monument" et marquerait l'époque de sa découverte. Il demande également qu'une commission soit nommée pour répéter toutes les expériences présentées par Volta. Parmi les membres de cette commission le "citoyen Coulomb" aura ainsi la chance de voir s'ouvrir une nouvelle branche de la science électrique au moment ou se termine sa propre carrière.

 

Le rapport de la commission est lu par Biot à la séance du 11 frimaire an IX (décembre 1800). L'exposé utilise, en particulier, les notions de "tension" et de "force électromotrice" introduites par Volta et qui survivront dans le vocabulaire électrique. Conformément au vœu de Bonaparte une médaille d'or de l'Institut est attribuée au savant italien ainsi qu'une somme de 6000 francs pour ses "frais de route".

 

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Bonaparte enthousiaste. (Laëtitia B.) cliquer sur l’image.

 

Bonaparte, conscient de l'avenir de cette nouvelle science, souhaite accélérer son développement. Le 26 prairial an X (juin 1801), il adresse d'Italie à Chaptal, alors ministre de l'intérieur, une lettre dans laquelle il demande à l'Institut de créer un prix de 3000 francs "pour la meilleure expérience qui sera faite dans le cours de chaque année sur le fluide galvanique" ainsi qu'un prix de 60 000 francs "à celui qui, par ses expériences et ses découvertes, fera faire à l'électricité et au galvanisme un pas comparable à celui qu'on fait faire à ces sciences Franklin et Volta".

 

Napoléon, précise : "Les étrangers de toutes les nations seront également admis au concours".

 

Quelques dizaines de rondelles d'argent ou de cuivre, autant de rondelles de zinc, de carton ou de feutre, de l'eau, (de préférence acidulée), suffisent pour entrer dans ce nouveau monde encore jamais exploré du "courant continu" avec la certitude d'en rapporter quelques brillantes pépites..

 

C'est d'Angleterre que partiront les premiers aventuriers.

 

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Voir aussi : La pile électrique, toute une histoire, par Hélène Bernicot.

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru chez Vuibert en juin 2009.

 

 

 

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Une vidéo du site Ampère-CNRS

 

 

 

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20 avril 2009 1 20 /04 /avril /2009 07:36

L'Histoire de l'électron.

par Gérard Borvon





Thomson et la découverte de l'électron.


Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales liées à la détermination des standards nécessaires au développement de l'industrie électrique comme, par exemple, la détermination de la valeur de l'ohm étalon initiée par le congrès international des électriciens de 1881.


J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.


Son laboratoire développe un équipement et des savoir-faire appropriés : pompes à vide puissantes, tubes à vide de formes diverses... Quand, en décembre 1895, Röntgen annonce sa découverte des rayons X, les chercheurs qui y travaillent sont en mesure, non seulement de la vérifier, mais aussi d'imaginer des développements immédiats. Dès janvier 1896 ils constatent que les rayons X ionisent les gaz qu'ils traversent; ils peuvent donc, à présent, se dispenser des tubes à vide et travailler sur des gaz ionisés à la pression atmosphérique.


Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.


En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.


Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.


Rayonnements cathodiques, rayons X, radioactivité, découverte des électrons... cette fin de 19ème siècle ne peut que susciter l'enthousiasme des jeunes générations de chercheurs. Le Français Paul Langevin était l'un des ces jeunes physiciens à avoir rejoint le Cavendish Laboratory en l'année 1897. Dans une préface à la traduction française de "Electricité et Matière" (Paris, Gauthier-Villars, 1922) publié par Thomson en 1903, il témoigne :


" Le moment était particulièrement favorable. Dans ce milieu d'étudiants, venus vers le jeune maître de toutes les parties du monde, s'accomplissait avec enthousiasme l'exploration du nouveau domaine des ions et des électrons, ouvert par la découverte des rayons cathodiques et des rayons de Röntgen et que devait féconder de manière si prodigieuse celle du radium, poursuivie en silence cette même année, par M. et Mme Curie, dans les vieux laboratoires de l'Ecole de Physique et Chimie."


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

 

         Ayant découvert l'électron, Thomson imagine un modèle d'atome souvent désigné sous le terme de "pudding". Il est constitué d'une sphère de matière positive, relativement peu dense, dans laquelle se déplaceraient des électrons soumis à la fois à leur propre répulsion et à l'attraction des différentes parties de la sphère positive.


L'ensemble est, cependant, loin de l'image statique d'un gâteau truffé de grains de raisin. Les électrons se déplacent dans cette sphère à des vitesses prodigieuses. En effet, tout apport d'énergie à l'atome doit se traduire, sous forme d'énergie cinétique, par une accélération du mouvement des électrons pouvant aller jusqu'à provoquer leur expulsion à des vitesses proches de celle de la lumière.


Proposition après proposition, Thomson s'attache à expliquer par son modèle beaucoup des propriétés connues des gaz ionisés et de leur émission lumineuse. Pendant plus de dix ans, ce modèle sera perfectionné avant que son ancien élève Rutherford vienne en proposer un autre dont le succès sera tel qu'il occupe encore une place essentielle dans la représentation que se font nos contemporains de la structure d'un atome.


Ernest Rutherford (1871-1937) est le fils d'immigrés écossais installés en Nouvelle Zélande. Il fait ses études dans son pays natal où il s'intéresse, en particulier, à la détection des ondes hertziennes. Profitant d'une bourse d'études, il rejoint J.J. Thomson au Cavendish Laboratory de Cambridge en 1895 et participe avec lui à l'étude des gaz ionisés.


En 1898, il se voit proposer une chaire à l'Université Mc Gill de Montréal. Peu de temps auparavant Becquerel avait découvert les "rayons uraniques". Rutherford s'empare du sujet et étudie le pouvoir ionisant du rayonnement et son pouvoir de pénétration à travers des plaques métalliques de différentes épaisseurs. Comme Pierre et Marie Curie, il distingue deux rayonnements distincts. L'un, peu pénétrant et très ionisant, qu'il désigne comme "rayonnement α". L'autre, plus pénétrant et moins ionisant, le "rayonnement β".


Marie Curie avait déjà imaginé que le rayonnement α était constitué de particules massives perdant rapidement leur énergie en traversant la matière. Rayleigh puis Crookes avaient constaté que ce rayonnement était constitué de particules chargées d'électricité positive. Rutherford était lui-même arrivé indépendamment à la même conclusion.  Il montrera ultérieurement que ces particules sont des noyaux d'hélium résultant d'une "transmutation" du corps radioactif les produisant. Leur énergie cinétique est prodigieuse. A masse égale, Rutherford, les estimera à 600 millions de fois celle d'une balle de fusil sortant du canon  avec une vitesse de 1 kilomètre par seconde.


Ces projectiles vaudront à Rutherford sa plus célèbre découverte en 1911. Il est alors revenu en Angleterre et est professeur à l'université de Manchester. L'expérience qu'il réalise, en compagnie de Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste à bombarder une mince feuille d'or par des particules α devant un écran fluorescent.


Si on s'en tient au modèle de Thomson, d'un atome plein d'une matière positive peu dense, ces particules devraient traverser l'obstacle sans pratiquement être déviées. Or si c'est le cas pour la majorité d'entre elles, une faible proportion (moins de 1 sur 10 000) est déviée, et parfois très fortement. Certaines particules semblent même rebondir vers l'arrière. On prête à Rutherford des phrases traduisant son étonnement : "c'est comme si un boulet de canon rebondissait sur une feuille de papier de soie" aurait-il dit.


Pour interpréter ce phénomène Rutherford imagine un noyau très dense de matière positive où serait concentrée l'essentiel de la masse des atomes. Autour de ce centre positif très attractif, les électrons tournent comme des satellites autour d'un astre central. Plus tard on comprendra que ce noyau est lui-même composé de particules positives, les protons, et de particules neutres, les neutrons. Le modèle "planétaire" de l'atome est né.


Dans notre imagerie contemporaine, ce modèle est resté très populaire. L'atome c'est ce noyau granulaire entouré d'électrons. On le trouve encore, ainsi représenté, dans de très sérieuses publications de vulgarisation scientifique ou sur des sites internet très visités et très bien référencés.


Pourtant Rutherford lui-même savait qu'il souffrait d'un grave défaut. Maxwell avait montré que tout électron subissant une accélération rayonnait de l'énergie, or un électron tournant autour d'un noyau est accéléré vers le centre en permanence. L'énergie qu'il rayonne est telle qu'il devrait être ralenti et tomber sur le noyau en un temps infime.


Dès 1913 Niels Bohr proposait un autre modèle qui répondait mieux à cette objection. Mais avant cette date Planck et Einstein avaient fait naître le photon.


Planck, Einstein et la naissance du photon.


         Avant d'arriver à ce nouveau modèle il nous faut revenir à l'étude de la lumière avec une question : comment la matière, c'est-à-dire l'atome, produit-elle un rayonnement lumineux ?


La question trouve des réponses inédites à partir des années 1880. On sait depuis longtemps que le fer chauffé passe du rouge sombre au blanc éclatant, au fur et à mesure que sa température augmente. A basse température le rayonnement existe également, mais sans être visible à l'œil : c'est l'infrarouge. Il en est de même à très haute température avec l'ultraviolet.


Une loi lie donc la longueur d'onde de la lumière émise et la température du corps émetteur : la longueur d'onde de la vibration lumineuse diminue quand la température augmente. Ou encore : la fréquence de la lumière émise croît avec la température (rappelons que la longueur d'onde d'une radiation, λ, est liée à sa fréquence, ν, et à la vitesse de la lumière, c, par la relation λ = c/ ν).


         En juin 1900, le physicien anglais John Rayleigh montre que la puissance de la lumière rayonnée est proportionnelle à la température absolue du corps et inversement proportionnelle au carré de la longueur d'onde (si P est cette puissance et K une constante, la relation peut s'écrire : P=K.T/ λ2). Hélas, si cette loi se vérifie pour les longueurs d'onde jusqu'au bleu, elle donne des résultats bien trop élevés pour les courtes longueurs d'onde. Avec cette loi, la puissance rayonnée dans l'ultraviolet extrême tendrait même vers l'infini. C'est ce qu'avec humour les physiciens appelleront la "catastrophe ultraviolette".


         En décembre de la même année, le physicien allemand Max Planck, risque une proposition hardie : il postule que les fréquences ν des rayonnements correspondant à une émission d'énergie E, donnée, ne sont pas toutes possibles. Il existe une constante h telle que le rapport E/ν est égal à un nombre entier de fois h. Toute autre vibration est interdite. La formule E=h.ν, si riche et si simple à la fois, est devenue une des grandes formules de la physique.


Comme la matière, l'émission d'énergie est donc discontinue et la physique s'enrichit d'une nouvelle constante : la constante de Planck (h=6,62.10-34 joule.seconde).


         Le pas définitif sera franchi par Einstein en 1905. Employé du bureau des brevets de Berne, âgé de 26 ans, il publie cette année là quatre mémoires qui, pour deux d'entre eux, provoquent une véritable révolution. Le quatrième, sur "L'électrodynamique des corps en mouvement", pose les bases de la relativité restreinte.


Dès l'introduction Einstein y expose que "l'introduction d'un "éther lumineux" devient superflue " dans la mesure où sa conception "ne fait aucun usage d'un "espace absolu au repos". L'éther de Faraday, de Maxwell, de Hertz a vécu ses derniers moments.


 La dernière partie de l'exposé est une application à l'étude de la "dynamique de l'électron". Ses résultats amèneront à une conséquence jugée "très intéressante" par l'auteur, à savoir que "la masse d'un corps est la mesure de sa capacité d'énergie", ce qu'il traduisait par la fameuse formule écrite aujourd'hui sous la forme e=mc2 établissant la relation entre la  masse m d'un corps, sa "capacité d'énergie" e et la vitesse de la lumière c.


La masse et l'énergie devenaient ainsi deux attributs indissociables de la matière et Einstein ne doutait pas que cela puisse être rapidement vérifié. "Il n'est pas impossible, écrivait-il, qu'une vérification de la théorie ne puisse être effectuée avec des corps dont la capacité d'énergie est au plus haut degré variable (par exemple les sels de radium)".          Deux ans plus tôt, le 16 mars 1903, était présentée à la séance hebdomadaire de l'Académie des Sciences, une communication de Pierre Curie et Albert Laborde sur la chaleur dégagée spontanément par les sels de radium. "Nous avons constaté que les sels de radium dégagent de la chaleur de façon continue" écrivaient-ils. Ayant mesuré cette chaleur émise, il trouvaient que 1gramme de radium dégageait "une quantité de chaleur qui est de l'ordre de 100 petites calories par heure". Ils émettaient alors l'hypothèse d'une "transformation interne" de l'atome de radium qui mettrait en jeu une énergie "extraordinairement grande" tout en admettant que ce dégagement d'énergie pouvait aussi s'expliquer par l'utilisation d'une "énergie extérieure de nature inconnue".


L'hypothèse d'Einstein de la transformation de la masse en énergie permettait de trancher : l'émission d'énergie par le radium résultait bien d'une transformation interne qui s'accompagnait d'une lente perte de masse.


Avec la dualité masse-énergie, Einstein, en proposait une autre d'une autre nature : la dualité onde-particule.


Son premier mémoire portait sur la nature discontinue du rayonnement lumineux du corps noir mise en évidence par Planck. Einstein proposait tout simplement et tout radicalement d'abandonner l'image classique d'une onde lumineuse étendue adoptée alors par tous les physiciens, pour celle de particules de lumière, des quanta : "lors de la propagation d'un rayon lumineux émis par une source ponctuelle, l'énergie n'est pas distribuée de façon continue sur des espaces de plus en plus grands, mais est constitué d'un nombre fini de quanta d'énergie localisés en des points de l'espace, chacun se déplaçant, sans se diviser" écrivait-il. Pour résumer : partant de l'hypothèse de Planck, Einstein propose de considérer qu'une lumière monochromatique de fréquence ν est formée de corpuscules porteurs d'une quantité fixée d'énergie, un "quantum", de valeur e = h.ν.


Cette hypothèse pouvait, par exemple,  expliquer une particularité encore inexpliquée de l'effet photoélectrique découvert par Hertz en 1887.


Depuis ce temps on sait que la lumière ultraviolette a la propriété d'extraire des corpuscules chargés d'électricité négative, des électrons, de la surface d'un métal. Le nombre d'électrons, ainsi arrachés, est proportionnel à l'énergie du rayonnement incident. Par contre leur énergie cinétique ne dépend que de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Plus elle est courte et plus les électrons sont rapides. Il existe d'ailleurs une limite supérieure des longueurs d'onde à partir de laquelle une lumière, même intense, ne produit aucun effet. Ce mode de transfert d'énergie entre lumière et électrons est impossible à expliquer avec les concepts classiques. L'hypothèse des quanta, par contre, peut y répondre.


Un de ces "quanta" de lumière, que l'on appellera plus tard "photons", rencontrant l'électron d'un atome du métal lui communique son énergie. Celle-ci provoque l'expulsion de cet électron, le surplus d'énergie se manifestant sous forme de l'énergie cinétique acquise par l'électron.


Les photons d'une radiation de fréquence trop faible, donc de trop grande longueur d'onde, ne seraient pas suffisamment énergétiques pour, simplement, extraire un électron, d'où l'absence d'effet observé.


Alors qu'avec Fresnel, la théorie ondulatoire de la lumière s'était imposée, alors que Maxwell avait mis en évidence le caractère  électromagnétique de cette onde, Einstein revient donc à un modèle granulaire de la lumière tel que l'avait imaginé Newton. Il faut noter que c'est pour cette hypothèse des photons et non pas pour son travail sur la relativité, trop longtemps ignoré, que Einstein reçoit le prix Nobel de physique en 1922.


La question se posait donc à nouveau : quelle est donc la nature réelle de la lumière. Onde ou particule ? Onde et particule ? Ni onde, ni particule ?  Le débat anime encore la physique contemporaine.


L'atome de Bohr.


Les hypothèses de Planck et Einstein sont mises à profit par Niels Bohr (1885-1962), jeune physicien danois qui a fréquenté le laboratoire de Rutherford à Cambridge. Reprenant le modèle planétaire de ce dernier il postule que les électrons ne peuvent circuler autour du noyau que sur des orbites circulaires de rayons déterminés dont la valeur est liée à la constante de Planck. Chaque orbite possible correspond à un "niveau d'énergie" de l'électron. Il peut passer à une orbite supérieure par l'absorption d'un photon d'énergie correspondant à l'écart entre les deux niveaux. Il peut émettre un photon, c'est-à-dire une radiation lumineuse de fréquence donnée, en passant d'un niveau à un niveau inférieur.


Progressivement, pour rendre compte des propriétés de la lumière émise ou absorbée, le modèle se perfectionne et l'électron se voit attribuer d'autres qualités, comme le "spin" supposé décrire le sens d'une rotation de l'électron sur son axe.


Sur le plan pratique le modèle de Bohr sera un outil utile au développement de l'électronique, que ce soit à travers ses premiers pas au moyen des multiples lampes à vide ou ensuite avec les semi-conducteurs. L'optique lui sera également redevable avec la mise au point de techniques comme celle du "pompage optique" débouchant sur la construction des lasers. L'histoire de l'électronique et celle de la "photonique", mériteraient d'être développées, nous ne l'aborderons pas ici. Chacune de ces matières nécessiterait à elle seule un ouvrage.


L'existence de l'électron semble donc parfaitement établie par les multiples applications sur lesquelles débouche sa théorie. Cependant ce modèle d'électrons sautant d'une façon instantanée d'une orbite à l'autre en émettant un rayonnement lumineux s'accorde mal avec celui d'un projectile matériel répondant aux lois de la dynamique newtonienne.


D'autre part la dualité onde-particule de la lumière fait toujours débat dans les années 1920, époque où un jeune physicien français cherche un sujet de thèse.


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


         "1905 ! Pendant cette année cruciale dans l'histoire de la physique, par un coup de maître dont il n'existe sans doute pas d'autre exemple dans l'histoire de la science, Albert Einstein, alors jeune employé de vingt-six ans à l'office des brevets de Berne, introduit coup sur coup dans la théorie physique deux idées fondamentales qui vont entièrement  changer le cours de son évolution : celle de la relativité de l'espace temps et celle des quanta de lumière". La phrase est de Louis de Broglie ( Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l'œuvre de Albert Einstein, lecture faite à l'Académie des sciences, 1955).


         Louis de Broglie (1892-1987) a été initié à la physique et aux théories de Einstein par son frère Maurice. Engagé comme radiotélégraphiste pendant la guerre 1914-1918, il revient travailler au laboratoire de son frère alors tourné vers l'étude des rayons X et l'effet photoélectrique, étude dans laquelle le problème des ondes et des corpuscules l'interpelle sans arrêt. Puisque l'onde lumineuse peut être également décrite sous forme de particules, pourquoi des particules ne pourraient-elles pas être décrites par une onde ?


Dans l'année 1923, puis dans sa thèse présentée en 1924, il franchit le pas et établit une corrélation, faisant intervenir la constante de Planck, entre le mouvement d'un corpuscule, par exemple un électron, et la propagation d'une onde. Pour résumer : l'électron peut être décrit comme une onde !


Parmi les applications de cette hypothèse il imagine d'emblée l'explication des orbites des atomes de Bohr : ce sont des états stationnaires d'ondes associées aux électrons de l'atome.


         Sa thèse laisse l'essentiel du monde scientifique dubitatif, à part Einstein à qui Langevin l'a communiquée et qui publie une note la concernant dans les Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Berlin.


Mais l'histoire rebondit. Au printemps de 1926, De Broglie reçoit de Erwin Schrödinger, physicien autrichien alors professeur à Zurich, la copie de l'article qu'il allait publier après la lecture de ses travaux. Il y énonce l'équation, restée célèbre, d'une onde qui permet de décrire le comportement d'un électron isolé mais aussi d'expliquer le spectre lumineux de chaque atome tant en ce qui concerne la longueur d'onde des radiations émises que leur intensité.


Avec Einstein les ondes lumineuses étaient devenues des particules, avec De Broglie et Schrödinger les particules matérielles deviennent des ondes.  Le symbole alchimiste du dragon qui se mord la queue semble inspirer les physiciens.


En 1927 une expérience menée par deux chercheurs américains, Davisson et Germer, vérifie la validité de la théorie ondulatoire : des électrons réfléchis par la surface d'un cristal de nickel donnent, sur une plaque photographique, des figures d'interférence analogues à celle obtenues avec des rayons X. Les électrons se sont donc bien comportés comme une onde.


Onde ou particule ? Werner Heisenberg, jeune physicien allemand de 26 ans décide de ne plus donner de l'atome une image matérielle. Ce qu'on en connaît, ce sont les valeurs des fréquences et les intensités des raies lumineuses émises ou absorbées par l'atome. Il décide de présenter ces valeurs dans des tableaux de chiffres, des "matrices", dont il maîtrise parfaitement la théorie mathématique. Il obtient ainsi des prévisions qui correspondent parfaitement avec les résultats expérimentaux.


Cette "mécanique quantique" sans particules ni ondes annonce bien d'autres surprises.


Quand l'incertitude devient un principe.


         L'un des résultats de cette mécanique matricielle est présenté comme le "principe d'incertitude" ou plutôt "d'indétermination". Il s'énonce généralement en disant qu'il n'est pas possible de donner, à la fois, la position et la vitesse d'une particule. Il en résulte une description "probabiliste" de la matière quand on l'observe au niveau de l'infiniment petit. La notion même de particule n'y a plus de sens pas plus que celles de vitesse ou de position.


Ce principe jette le trouble dans le milieu scientifique. Louis de Broglie en prend connaissance peu de temps avant le mois d'octobre 1927, date à laquelle doit se tenir le 5ème Conseil Solvay (du nom du mécène qui accueille depuis 1911 l'élite des physiciens mondiaux).  Ce " 5ème Conseil", consacré au thème électrons et photons, est resté célèbre. Les débats y sont vifs. Face à Bohr, Heisenberg et Born, de Broglie défend sa "mécanique ondulatoire" : les particules existent réellement et sont "guidées" par l'onde décrite par ses équations. Schrödinger, de son côté, privilégie l'onde : la particule n'existe pas. Là où le sens commun imagine une particule on trouve, en réalité, le maximum correspondant à l'addition d'ondes multiples, celles-ci s'annulant de part et d'autre de ce pic.


Le conflit oppose surtout Bohr à Einstein qui refuse une physique livrée au hasard.


La particule "quantique", photon ou électron, est en effet un être difficilement saisissable. Elle n'est plus ni une onde ni un corpuscule. Elle n'est pas même une onde et une particule à la fois, c'est un "quanton". Cet être de la nouvelle physique peut, dans certaines conditions, se manifester comme un projectile de la mécanique classique, dans d'autres comme une onde, sans être jamais, pour autant, ni l'un ni l'autre.


Le quanton, photon ou électron, possède, par exemple, le don d'ubiquité. Il peut être en différents lieux au même moment.


On se souvient de la démonstration de la nature ondulatoire de la lumière par l'expérience des fentes de Young. De la lumière monochromatique émise par une source unique arrive sur deux fentes parallèles. Les deux faisceaux ainsi obtenus se combinent pour laisser la trace, sur un écran, de bandes alternativement sombres et claires résultant de l'interférence de ce que la physique classique ne peut imaginer autrement que sous forme d'ondes.


Utilisons maintenant une source lumineuse suffisamment faible pour émettre photon après photon. Le résultat est le même. Les photons, dont les impacts successifs sont visibles sur la plaque réceptrice, sont allés se placer sur l'une des franges lumineuses prévues par la théorie ondulatoire. C'est comme si chacun d'entre eux était  passé par les deux fentes à la fois. L'expérience menée sur des électrons amène aux mêmes observations.


Le quanton peut manifester également la propriété de "non-séparabilité" ou "d'intrication". Il peut se combiner à un autre quanton pour donner un être unique aux propriétés inédites.


En 1982 est réalisée par le physicien français Alain Aspect une expérience devenue historique illustrant ce principe.


En produisant l'émission de photons "jumeaux" dont l'un des paramètres, leur "polarisation", devait avoir pour chacun une valeur identique, il montrait que c'était la détection de l'un d'entre eux qui décidait immédiatement de la valeur du paramètre de l'autre. Il prouvait ainsi que, avant la détection, les deux particules ne faisaient qu'une entité unique que seule la mesure distinguait ensuite. Et ceci même si les particules étaient très éloignées au moment de la détection.


Transmettre ce savoir aux non-spécialistes n'est pas chose aisée. Une image est parfois utilisée pour illustrer l'ubiquité quantique de la matière au niveau atomique : celle du poisson quantique dans un étang.


Une truite est lâchée dans un étang que des pêcheurs répartis sur la berge tentent de capturer. A un moment, l'un d'entre eux y parvient. Le pêcheur classique dira : "la truite était là où je l'ai prise". Le pêcheur quantique dira : "avant que je la prenne, la truite occupait tout l'étang. Chacun avait les mêmes chances de la capturer. Elle ne s'est concrétisée qu'au moment où je l'ai prise".


Quant au principe de "non-séparabilité" : si ce sont deux poissons qui ont été jetés dans cette mare le pêcheur quantique considèrera qu'ils s'y sont dilués pour se combiner en une seule entité. A nouveau, c'est au moment de la prise que le poisson capturé deviendra réel laissant l'autre identité au poisson restant.


On peut s'interroger sur ce type d'images. Aident-elles vraiment à la compréhension du phénomène ou suggèrent-elles, par l'irrationalité du propos, que la physique "quantique" est un monde magique auquel n'ont accès que les initiés ?


Ces images ne prétendent pas à une valeur didactique, elles cherchent d'abord à marquer, de façon quelque peu provocatrice, la rupture avec la vision classique des lois de la nature.


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


         Dans le vocabulaire quantique le mot "électricité" semble être relégué dans les oubliettes de l'histoire. 


On y trouve encore l'électron qui n'est plus ni une onde ni un corpuscule mais un "quanton". Si on continue à désigner ses propriétés par des termes issus de la mécanique des objets étendus comme ceux de position, de vitesse, de quantité de mouvement, d'énergie... ces mots n'ont plus le même sens et ne se maintiennent que faute d'en avoir trouvé de mieux adaptés.


         L'univers des quantons est très peuplé. Le photon, le neutron et le proton, éléments constitutifs du noyau de l'atome sont des quantons. Protons et neutrons, particules sages dont le nom évoque encore des propriétés physiques classiques, sont eux-mêmes constitués de quantons bien plus exotiques : les quarks.


Leur nom ne doit rien à l'univers des sciences, il marque même une rupture avec tout ce qui pourrait rappeler le "concret". Le physicien Gell-Mann l'a trouvé dans un roman de James Joyce, Finnegans Wake (le rêve de Finnegan). Il figure dans la phrase "Three quarks for Muster Mark"  chantée par un chœur d'oiseaux de mer et qui pourrait se traduire par trois "railleries" pour Monsieur Mark. Pour aller plus loin dans la dérision, les six quarks se voient attribuer des "saveurs" : down, up, strange, charm, bottom, top. A l'étrangeté, le charme, la beauté des quarks, s'ajoute leur "couleur" : rouge, vert, bleu.


Un tel vocabulaire peut faire apparaître le monde des physiciens quantiques comme un monde où on s'amuse entre initiés. La science quantique n'y est plus figurative, elle est devenue un art abstrait.


Mais un savoir scientifique non partagé est-il viable ?


 "...notre responsabilité de physiciens dépasse nos seules tâches professionnelles", déclare Jean-Marc Lévy-Leblond.  "...l'intérêt bien compris de l'entreprise scientifique, dit-il, exige que ses protagonistes partagent leur savoir avec les profanes. Mais comment pouvons-nous espérer faire correctement comprendre les concepts délicats et les expériences ingénieuses que nous élaborons si nous sommes désinvoltes dans leur formulation au point de ne pas les comprendre véritablement nous-mêmes ? "  (Jean-Marc Lévy-Leblond, Mots & maux de la physique quantique, article écrit pour la Revue Internationale de Philosophie, Bulletin de l'Union des Physiciens, Juillet-Août 1999).


         Pour autant l'auteur milite pour un vocabulaire qui mette en évidence "la spécificité et l'originalité" des concepts quantiques et "leur différence d'avec les notions communes". Cette exigence linguistique est, pour lui, la seule façon de "mener une vulgarisation efficace". La quantique attend son Lavoisier.


Que deviennent les termes de quantité d'électricité et de charge électrique dans cette optique ? Le mot électricité ne désigne plus un fluide. Comme aux premiers temps de son histoire, il est redevenu, au mieux, un qualificatif désignant, comme la gravité, une des propriétés de la matière.


La charge de l'électron est devenue un simple chiffre qui indique l'intensité avec laquelle cette particule peut intervenir dans une interaction électromagnétique. La valeur absolue de la "charge" de l'électron (1,6.10-19C) reste la référence, même si le mot "charge" lui-même n'a plus aucun sens. D'autres quantons sont dotés d'un "nombre de charge", positif ou négatif, représentant une fraction de cette charge. Les quarks, par exemple sont dotés des charges - 1/3 pour trois d'entre eux et + 2/3 pour les trois autres. Ajoutons que chaque particule se voit associée à une antiparticule de charge opposée et dont la rencontre lui serait fatale. Ainsi l'électron est associé au positon (ou positron), particule de même masse et de charge positive. Imaginé par Dirac en 1928, il fut ensuite observé dans le rayonnement cosmique et dans les processus d'émission radioactive.


Nous n'en dirons pas plus sur la physique quantique. Peut-être en avons-nous déjà dit trop sur un sujet aussi délicat.  La traque des nouvelles particules prévues par la théorie se poursuit dans les énormes accélérateurs d'aujourd'hui et de demain. Celles qui sont déjà connues nous renseignent aussi bien sur l'infiniment petit de la matière que sur le fonctionnement de notre univers. En essayant de mettre des mots sur leurs équations, les physiciens nous font rêver de ces espaces et de ces temps multiples encore à conquérir.


Pourtant n'est-il pas frustrant de constater qu'au bout de ce long chemin qui, partant de l'ambre de la Baltique, nous a menés jusqu'à cet électron si familier, nous en sommes arrivés à ne plus voir dans l'électricité qu'un chiffre associé à un insaisissable "quanton" ?


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


L'électricité est une science récente. Elle donnera longtemps encore des raisons de s'émerveiller devant la complexité et la richesse du monde.


La résistance qu'elle offrira à la compréhension des chercheurs sera, pour eux, autant de défis à relever et d'occasions de développer leur intuition, leur intelligence et leur sensibilité. Nos successeurs des siècles à venir s'étonneront sans doute de la façon dont nous concevons ce qu'aujourd'hui nous appelons encore "électricité".


Puissent les quelques repères que nous avons voulu rassembler ici être utiles à nos contemporains pour comprendre le présent et à nos successeurs pour imaginer l'avenir.

 

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru en juin 2009 chez Vuibert.

 


 

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19 avril 2009 7 19 /04 /avril /2009 08:50

  Histoire des unités électriques.


par Gérard Borvon

 



A l'occasion de la première exposition internationale d'électricité qui se tient à Paris en 1881, l'initiative est prise d'un "congrès international des électriciens" qui se tiendra pendant l'exposition. Cette réunion n'est pas une simple rencontre amicale. L'un de ses objectifs est de première importance : définir un système international d'unités électriques.


Tout débutant dans l'apprentissage des sciences physiques le sait : à chaque grandeur physique est obligatoirement associée son unité. Dans le domaine de l'électricité, l'ampère, le volt, le watt sont d'une telle banalité que chaque personne qui a, un jour, remplacé une lampe ou un fusible en connaît au moins le nom. Et ceci, où que cette personne habite sur la planète et quel que soit son niveau d'instruction. Mais une question se pose : quand, où, comment, ces unités ont-elles été définies ?


Le système métrique décimal.


L'époque n'est pas si ancienne qui a, d'abord, vu naître le système décimal. Un nom s'impose alors : celui de Lavoisier. Seul, affirme-t-il, un système décimal peut permettre la communication entre chimistes de différentes nationalités et plus généralement entre tous ceux, savants, artisans, marchands et membres de professions dont l'activité implique la mesure. Dans le Traité élémentaire de chimie qu'il publie en 1789 il se livre à un plaidoyer en faveur d'un tel système. Il calcule déjà des tables de conversion et fait fabriquer des balances équipées de boîtes de masses décimales.


Lavoisier fait partie de la commission chargée par le pouvoir révolutionnaire de mettre au point un modèle décimal de mesures. Il est arrêté et guillotiné avant que ce travail n'aboutisse. Pourtant, le 7 avril 1795 (18 germinal de l'an III) le mètre et le gramme deviennent les unités de mesure républicaines et le système décimal est instauré. Des préfixes grecs, déca, hecto, kilo, sont choisis pour les multiples. Des préfixes latins, déci, centi, milli, pour les sous-multiples. Ce système deviendra, comme l'avait souhaité Lavoisier, un véritable "langage universel".


Mais revenons aux mesures et unités électriques.


Pour mesurer, il faut d'abord définir une grandeur (intensité, tension, etc.) et concevoir un instrument fiable pour la mesurer.


Tout au long du XVIIIe siècle différents appareils, à paille, à fil, à feuille d'or sont construits pour estimer la tension ou la charge électrique. Mais ce sont plutôt des "électroscopes" que des "électromètres" car on ne pouvait pas comparer deux mesures faites avec des instruments différents.


La découverte de la pile électrique en 1800 puis celle de l'électromagnétisme en 1820 permettent enfin d'aborder l'électricité par la mesure. Une quantité d'électricité peut désormais être réellement mesurée, lors d'une électrolyse, par le volume de gaz qui se dégage à l'électrode ou par la masse de métal qui s'y dépose. Plus tard, l'intensité d'un courant pourra être évaluée par son action sur une aiguille aimantée ou sur un autre circuit électrique.


Au cours du XIXe siècle, moteurs, génératrices, systèmes d'éclairage ont pris des dimensions industrielles. Toute cette activité n'a pas pu se développer sans des moyens rigoureux de mesure. Elle exige à présent des normes communes. Des appareils de mesure sont mis au point et dans le même temps des unités sont proposées.


Les initiatives sont d'abord dispersées jusqu'au moment où une harmonisation s'impose.


L'Angleterre en avance

 

Dans ce domaine, l'Angleterre a largement devancé les autres pays européens. Il existe une "Association britannique pour l'avancement des sciences" qui, depuis 1863, a établi un système d'unités partiellement repris sur le plan international sous la dénomination de "système de l'association britannique" ou système B.A (pour British Association).


Par ce système, les savants britanniques ont la volonté d'inscrire l'électricité au rang d'une science académique. La mécanique est alors le modèle, les unités électriques doivent donc se déduire des trois unités fondamentales de la mécanique : le mètre, le gramme et la seconde. En 1873, sur la proposition de William Thomson (le futur Lord Kelvin), le mètre est remplacé par le centimètre mieux adapté pour la mesure des masses volumiques. Le système est alors connu sous le nom de système CGS.


Relevons ici la clairvoyance et le courage intellectuel des électriciens britanniques qui n'hésitent pas à choisir le centimètre et le gramme, mesures à la fois continentales et révolutionnaires, dans un pays si attaché à ses traditions insulaires.


En 1875 la "Convention du mètre" signée par les diplomates de 17 États donne à ce choix un caractère officiel. Dans le même temps est créée la Convention Générale des Poids et Mesures (CGPM) et le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) dont le siège est fixé au pavillon de Breteuil à Sèvres, près de Paris.


A côté du système CGS, théorique, l'association britannique a défini un système d'unités pratiques dans lequel l'unité de résistance est désignée par le nom d'ohm, l'unité de force électromotrice par celui de volt et celle d'intensité par celui de weber. Hommage rendu à trois savants ayant fait progresser la science électrique. Les trois unités sont liées par la formule I=E/R qui traduit la relation, établie par Ohm, entre la tension aux bornes d'une résistance et l'intensité du courant qui la traverse. Un weber est donc l'intensité du courant qui circule dans une résistance de un ohm sous l'action d'une force électromotrice de un volt.


La France comme l'Allemagne utilisent également la résistance, la tension et l'intensité comme concepts de base. Mais dans ces deux pays les unités sont d'abord considérées comme des étalons adaptés aux travaux des ingénieurs. Le monde des électriciens ne parle pas un langage unique.



Avant 1881 : des systèmes nationaux différents.

 

Les unités de résistance :

 

En Angleterre, nous avons déjà relevé le choix, par la société britannique, d'une unité théorique, d'une unité pratique et d'étalons. Quelques précisions à ce sujet :


L'unité théorique : nous avons déjà eu l'occasion d'évoquer, dans le chapitre consacré aux équations de Maxwell, le problème lié à l'existence de deux systèmes théoriques possibles : le système électrostatique et le système électromagnétique. Pour des raisons pratiques liées aux applications industrielles, c'est le système CGS électromagnétique qui est retenu. Dans ce système, la résistance a la dimension d'une vitesse. Son unité théorique est donc le cm/s.


L'unité pratique : la valeur de l'unité C.G.S théorique (le cm/s) correspond à une résistance extrêmement faible. L'Association Britannique a donc choisi une unité pratique plus commode pour la mesure des résistances courantes. Elle correspond à 10 millions de mètres par seconde (109 unités C.G.S). Elle est alors désignée sous le nom d'ohm. On retiendra, à ce sujet, que 10 millions de mètres correspond à la longueur du quart du méridien terrestre, valeur universelle qui est à la base de la définition du mètre.


Les étalons : une fois définie cette unité pratique restait à construire des étalons. Ceux-ci étaient constitués par des résistances métalliques déposées à Londres. Maxwell, qui anime le comité chargé de déterminer ce standard, les décrit comme "faites d'un alliage à 2 parties d'argent et une partie de platine, en forme de fils de 0,5mm à 0,8mm de diamètre et de 1m à 2m de longueur. Ces fils sont soudés à de grosses électrodes de cuivre. Le fil lui-même est couvert de deux couches de soie, noyé dans une masse de paraffine et renfermé dans une boîte de cuivre mince, de façon qu'on puisse le porter aisément à la température pour laquelle sa résistance est exactement de 1 ohm. Cette température est inscrite sur le support isolant".




Résistance étalon du système britannique (James Clerk Maxwell, Traité d'électricité et de magnétisme. trad. 1885. Tome I. p.524)

 

En France on compte en "kilomètres de résistance". Cette unité, établie par Bréguet à l'intention des télégraphistes, est représentée par la résistance d'un fil de fer télégraphique de quatre millimètres de diamètre et de mille mètres de longueur. Cette unité vaut environ 10 ohms. Des étalons sont construits mais leur valeur dépend fortement du fer utilisé.

 

En Allemagne on utilise l'unité Siemens, désignée par le symbole US, qui est la résistance d'une colonne de mercure de 1m de longueur et de 1 millimètre carré de section. Sa valeur est estimée à 0,9536 ohm.


Unités de force électromotrice :


L'Unité C.G.S de force électromotrice (qui devrait être le cm3/2.g1/2.s-2) a également une valeur extrêmement faible.

 

L'Association Britannique choisit donc comme unité pratique de force électromotrice, le volt, qui a une valeur de 108 unités CGS.


Elle est sensiblement représentée par la force électromotrice de la pile Daniell. Rappelons que cette pile, mise au point par Daniell, en 1836, comporte une électrode de cuivre plongeant dans une solution saturée de sulfate de cuivre associée à une électrode de Zinc plongeant dans une solution de sulfate de Zinc. Cette pile "impolarisable" a une f.e.m constante de 1,079 volt. La pile Daniell sert également de référence en France et en Allemagne.


Unités d'intensité :

 

L'unité pratique d'intensité de l'Association Britannique est le weber. Intensité d'un courant qui traverse une résistance de 1 ohm présentant une force électromotrice de 1 volt entre ses extrémités. Sa valeur est de 0,1 unités CGS (l'unité CGS étant le cm1/2.g1/2.s-1).


Cette unité permet d'écrire de façon commode toute la gamme des intensités de courants utilisées dans l'industrie. Au plus bas de l'échelle : l'intensité des courants téléphoniques qui est de quelques microwebers et celle des courants télégraphiques qui est de quelques milliwebers. A l'autre extrémité les courants débités par les "machines Gramme" qui varient entre vingt et trente webers ou les courants qui alimentent les cuves de galvanoplastie qui peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de cent webers.


Les appareils électromagnétiques de mesure des courants qui commencent à se généraliser, sont directement gradués, suivant les usages, en webers ou milliwebers.



Dans la pratique un courant de 1 weber dépose 1,19 gramme de cuivre à l'heure à la cathode d'un électrolyseur à sulfate de cuivre.

 

En Allemagne, l'unité d'intensité, est celle qui traverse une unité de résistance Siemens reliée aux pôles d'une pile Daniell. Sa valeur est de 1,16 weber.

 

La France ne présente pas de choix tranché en la matière. Les unités britanniques et allemandes y sont utilisées mais on y utilise aussi le classique "galvanomètre" : un électrolyseur est intercalé dans le circuit et l'intensité du courant est exprimée en cm3 de gaz dégagé par minute aux électrodes d'un électrolyseur à acide sulfurique ou en grammes de cuivre déposés par heure à la cathode d'un électrolyseur à sulfate de cuivre.


A l'évidence, un langage commun s'impose. Ce sera donc l'objectif fixé au premier congrès des électriciens à Paris

 

1881 : premier congrès international des électriciens, premier système international.

 

Le congrès se tient sous le patronage de Adolphe Cochery, ministre des Postes, qui souhaite en faire un évènement international d'envergure. Sa présidence est assurée par un chimiste, Jean-Baptiste Dumas.


Les congressistes, au nombre de 250, viennent de 28 pays différents. Des savants et des ingénieurs aussi célèbres que William Thomson (futur Lord Kelvin), Tyndall, Crookes,  Helmholtz, Kirchhoff, Siemens, Mach, Gramme, Rowland, Becquerel, Fizeau, Planté, Lord Rayleigh, Lenz se trouvent ainsi pour la première fois ensemble. Un sujet s'impose à tous : celui des unités et étalons électriques.    


Une opposition existe entre les "savants" britanniques qui, avec le système CGS, tiennent à inscrire les unités électriques dans le cadre théorique de la mécanique et les "ingénieurs" allemands qui veulent des étalons pratiques.


Le physicien français Eleuthère Mascart, secrétaire du congrès, en rend compte dans un récit qui nous en révèle les coulisses.


«Le Congrès, dit-il, avait constitué une Commission très nombreuse des unités électriques, qui s'est réunie le 16 et le 17 septembre 1881. La première séance a été remplie par une sorte d'exposé de principe sans grand résultat. Dans la seconde, la question a été serrée de plus près ; il s'agissait de savoir si les unités seraient fondées sur un système logique ou si l'on accepterait, en particulier pour la mesure des résistances, l'unité arbitraire dite de Siemens.

 

La discussion a été pénible et très confuse ; on voyait surgir des propositions et des objections imprévues, surtout de personnes qui ne comprenaient pas la portée des résolutions à prendre. M. Dumas, qui présidait avec un tact et une autorité que j'admirais, interrompit la séance en disant que l'heure paraissait avancée (4 h.30) et qu'on se réunirait ultérieurement. C'était un samedi soir. En sortant, j'accompagnais notre Président, et je lui dis : « Mon cher Maître, il me semble que l'affaire ne marche pas bien. » - « Je suis convaincu, répondit-il, que nous n'aboutirons pas et vous avez compris pourquoi j'ai levé la séance. » Je n'ai pas souvenir de ce que fut ensuite notre conversation.

 

Le lendemain, dans la matinée, je rencontrai sur le pont de Solférino William Siemens qui me demanda si j'avais reçu la visite de Lord Kelvin (alors sir William Thomson), en ajoutant qu'on m'invitait à dîner et qu'on espérait arriver à une entente. Rentré aussitôt, je trouvai la carte de Lord Kelvin avec ces mots : « Hôtel Chatham, 6 h. 30 ».

 

Je fus naturellement exact au rendez-vous et je trouvai dans le petit salon d'attente une société imposante : Lord Kelvin, William Siemens pour l'Angleterre, puis von Helmholtz, Clausius, Kirchhoff, Wiedemann et Werner Siemens. La discussion reprit et, après beaucoup d'hésitations, Werner Siemens finit par accepter la solution proposée, à la condition que le système de mesures serait institué « pour la pratique ». Je ne fis aucune difficulté à cette qualification et rédigeai au crayon sur le bord du piano le texte de la convention.

 

Le système de mesures pour la pratique avait comme bases les unités électromagnétiques C.G.S.

 

On définissait l'Ohm et le Volt, en laissant à une commission internationale le soin de fixer les dimensions de la colonne de mercure propre à représenter l'Ohm.

 

Soulagé ainsi d'un grand poids, je dînai de bon appétit et, après la soirée, j'allai en rentrant, à tout hasard, sonner à la porte de M. Dumas, quoiqu'il fût déjà 10 h. 30. Il était au salon au milieu de sa famille et mon premier mot fut : « L'accord est fait sur les unités électriques ». Je n'oublierai jamais l'impression de joie véritable manifestée par M. Dumas à cette nouvelle qu'il était loin d'attendre.

 

Si le système d'unités a fini par aboutir, on doit l'attribuer d'abord à l'autorité de M. Dumas, dont le grand talent inspirait le respect et empêcha la discussion de s'égarer en paroles trop vives, puis à l'influence sur Werner Siemens de son frère, William Siemens, qui vivait dans le milieu scientifique anglais engagé par l'initiative de l'Association Britannique.

 

Nous étions impatients de soumettre ces propositions au Congrès dans la séance générale du mardi 20 septembre, mais on avait appris dans l'intervalle, la mort du président Garfield et la séance fut aussitôt levée en signe de deuil. Comme nous n'avions encore que deux unités, l'ohm et le volt, et qu'il était nécessaire de compléter le système, je demandai au président, M. Cochery, si les commissions au moins pouvaient se réunir.

 

Je dus m'incliner devant sa réponse négative, et nous restâmes, avec Von Helmholtz, auprès de Lord et Lady Kelvin qui, ayant négligé de déjeuner, prenaient un chocolat dans le restaurant Chiboust, installé près de la salle du Congrès. C'est dans ce petit comité, autour d'une vulgaire table en marbre blanc, que furent convenues les trois unités suivantes : Ampère (au lieu de Weber), Coulomb et Farad.

J'étais chargé d'en lire le texte le lendemain 21 septembre en séance générale. Nombre de membres de la commission, qui ne connaissaient que la séance du samedi, en furent bien un peu surpris, mais les commentaires de Lord Kelvin et de Von Helmholtz ne permirent plus aucune hésitation. Le système pratique d'unités était fondé »


Dans le discours qu'il prononça à la fin du congrès, Jean-Baptiste Dumas ne cachait pas sa satisfaction :


" L'accord s'est fait, et, par une décision unanime, vous avez rattaché d'une part les mesures électriques absolues au système métrique en adoptant pour bases le centimètre, la masse du gramme et la seconde ; de l'autre, vous avez institué des unités usuelles, plus voisines des grandeurs qu'on est accoutumé à considérer dans la pratique et vous les  avez rattachées par des liens étroits aux unités absolues. Le système est complet."


Un succès remarqué

 

On peut lire le compte rendu de cette séance dans la revue "La Nature" (deuxième semestre, p282) :


"On peut considérer les travaux du Congrès comme terminés à la date du samedi 24 septembre. Il aura suffit de quatre séances plénières, dont trois seulement auront été consacrées à l'étude des questions... pour épuiser son ordre du jour..."


Les conclusions du congrès tiennent en sept points :


1) Le système CGS est adopté.


2) L'unité de résistance sera désignée par le nom de "ohm" avec la valeur de 109 unités CGS. L'unité de force électromotrice, ou de tension, sera le volt avec pour valeur 108 unités CGS.


3) L'unité pratique de résistance (l'ohm) sera constituée par une colonne de mercure d'un millimètre carré de section à la température de zéro degré centigrade.


4) Une commission internationale sera chargée de déterminer la longueur de la colonne de mercure représentant l'ohm.


5) L'unité d'intensité de courant sera nommée "ampère". Intensité d'un courant "produit par un volt dans un ohm".


6) L'unité de quantité d'électricité sera appelée "coulomb" ou quantité de courant "débitée par un courant de un ampère pendant une seconde" (d'après la relation Q=I.t).


7) L'unité de capacité sera le "farad" définie par "la condition qu'un coulomb dans un farad donne un volt" (d'après la relation Q/C=V).


Ampère et Coulomb, citoyens de la puissance invitante, sont mis à l'honneur par l'attribution de leur nom aux unités d'intensité et de charge. Weber en fait les frais mais ... le congrès lui adresse un message de félicitations pour le cinquantième anniversaire de son entrée à l'université de Göttingen. Son nom sera donné ultérieurement à l'unité de flux magnétique.


Cette nouvelle façon d'attribuer aux unités le nom de savants célèbres est soulignée de façon lyrique pas J.B Dumas dans son discours de clôture du congrès.


"L'Association britannique avait eu l'heureuse idée de désigner ces diverses unités par les noms des savants auxquels nous devons les principales découvertes qui ont donné naissance à l'électricité moderne ; vous l'avez suivie dans cette voie, et désormais les noms de Coulomb, de Volta, d'Ampère, de Ohm et de Faraday demeureront étroitement liés aux applications journalières des doctrines dont ils furent les heureux créateurs. L'industrie, en apprenant à répéter chaque jour ces noms dignes de la vénération des siècles, rendra témoignage de la reconnaissance due par l'humanité tout entière à ces grands esprits... "


Une mode nouvelle est née : celle de la "vulgarisation" scientifique qui s'exprime dans les musées, les expositions internationales, les revues superbement illustrées, en particulier celles relatives à l'électricité : L'Electricité (1876), La Lumière électrique (1879), L'Electricien (1881). Le savant est devenu un personnage qu'il est bon de "populariser".


Le choix de donner aux unités le nom de célébrités scientifiques ne fait cependant pas l'unanimité. A l'occasion du congrès de 1889, Marcelin Berthelot le regrette. "Poncelet, Ampère, Watt, Volta, Ohm, sont maintenant des racines de noms dont la plupart n'ont pas de rapport nécessaire et immédiat avec les hommes qui les ont illustrés". "Le contraste est bien remarquable, ajoute-t-il, avec l'allure essentiellement impersonnelle qu'avait la nomenclature scientifique, il y a seulement quatre vingt ans". D'ailleurs prévoit-il "Il est bien à craindre que le siècle prochain, par la force même de la marche en avant et des modifications des sciences, ne supprime cette terminologie".


Pourtant les noms de Kelvin, de Hertz, de Siemens,  de Tesla, de Henry et de bien d'autres, viendront, dans les décennies qui suivront, s'ajouter à la liste des unités. Le nom de Ampère figurant même dans la liste des quatre unités fondamentales de notre actuel Système International.


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

 

En 1882 l'Association Britannique propose des unités d'énergie et de puissance électriques. Le système C.G.S  comporte déjà une unité de travail, l'erg, (1erg = 981 g.cm2.s-1) déduite d"une unité de force, la dyne, (1dyne = 981 g.cm.s-2) et une unité de puissance : l'erg/s.


Pour l'unité pratique d'énergie elle suggère d'appeler joule le "volt-coulomb" qu'elle utilisait précédemment.

Les électriciens britanniques considèrent Joule (1818-1889) comme l'un des leurs. Ses premiers travaux scientifiques en 1838 portent sur le magnétisme et, à peine âgé de 21 ans il découvre la "saturation magnétique", c'est-à-dire la valeur limite atteinte par l'aimantation d'un noyau d'acier excité par un champ magnétique. En 1842, il découvre la loi qui porte son nom et qui établit la relation entre l'énergie calorifique, W, dégagée pendant un temps donné, t, par une résistance, R,  parcourue par un courant d'intensité I. Loi que nous écrivons : W = R.I2.t. Il n'a encore que 24 ans et se consacrera bientôt à établir la relation traduisant la transformation directe du travail mécanique en chaleur.


 Pour la puissance, l'Association propose le watt à la place du "volt-ampère". Ce faisant, elle empiète sur le territoire des "mécaniciens" dont Watt est l'un des éminents représentants.


La conversion avec les unités de travail et de puissance utilisées par les mécaniciens donne alors :


  1 kilogrammètre = 9,81 joules

  1 cheval-vapeur = 736 watts

 

En 1884 la "conférence internationale pour la détermination des unités électriques" se réunit à Paris. Elle fixe la valeur de l'ohm : résistance d'une colonne de mercure de 1 millimètre carré de section et de 106 cm de longueur à la température de la glace fondante. Des étalons seront construits.


L'ampère est défini comme le courant dont la valeur absolue est 0,1 unité électromagnétique CGS.


Le volt est la force électromotrice qui "soutient" un courant de un ampère dans un conducteur dont la résistance est l'ohm légal.

 

En 1889, le congrès international des électriciens revient à Paris à l'occasion de l'exposition internationale. Le joule et le watt sont confirmés comme unités d'énergie et de puissance. Le kilowatt est retenu à la place du cheval-vapeur pour la mesure de la puissance des moteurs électriques.


De façon quelque peu provocatrice, le congrès des électriciens invite le congrès des mécaniciens qui se tient dans la même période à renoncer au cheval-vapeur, à adopter le système CGS et à clarifier les notions de "force" et de "travail" trop souvent utilisées l'une pour l'autre dans les textes des mécaniciens.

 

Des mécaniciens dépassés :


Les mécaniciens acceptent de clarifier les notions de force et de travail et décident que :


- Le mot force ne sera plus utilisé désormais que comme synonyme d'effort.



- Le mot travail désignera le produit d'une force par le chemin que décrit son point d'application dans sa propre direction.


- Le mot puissance sera exclusivement employé pour désigner le quotient d'un travail par le temps employé à le produire.


En revanche, ils ne renonceront pas à leurs unités propres, aussi archaïques puissent-elles paraître à leurs confrères électriciens :


- L'unité de force reste le kilogramme-force (poids, à Paris, d'une masse de un kilogramme).


- L'unité de travail est le kilogrammètre (travail d'une force de 1 kilogramme-force qui déplace son point d'application de 1 mètre dans sa direction).


- L'unité de puissance est, au gré de chacun : le cheval-vapeur de 75 kilogrammètres par seconde et le poncelet de 100 kilogrammètres par seconde.


Le mot énergie subsiste alors dans le langage comme une généralisation fort utile comprenant les différentes formes équivalentes : travail, force vive, chaleur... Il n'existe pas d'unité spéciale pour l'énergie envisagée dans toute sa généralité : on l'évalue numériquement suivant les circonstances, au moyen du joule, du kilogrammètre, de la calorie, etc.


L'obstination des mécaniciens vaudra aux lycéens de continuer à apprendre, jusqu'aux années 1960, que la force s'exprime en kilogramme-force (kgf), le poids en kilogramme-poids (kgp), le travail en kilogrammètres, la puissance mécanique en cheval-vapeur.

 

En 1893, se tient à Chicago un congrès des électriciens qui est présenté comme le second congrès "officiel" après celui de 1881. Les gouvernements des pays participants y sont représentés et les décisions auront force de loi internationale. Les unités déjà choisies y sont confirmées et précisées.


- L'ohm international sera défini de façon pratique par une colonne de mercure de 1 millimètre carré de section, de 106,3 cm de longueur et d'une masse de 14,4521 gramme.


- L'ampère international sera le courant qui déposera 0,00118 gramme d'argent par seconde à la cathode d'un électrolyseur à nitrate d'argent.


- Le volt international sera la force électromotrice correspondant aux 1000/1434 de celle de la pile Clark, une pile à dépolarisant qui, à cette époque, a détrôné le pile Daniell.


- Le joule et le watt sont confirmés.


La puissance invitante n'est pas oubliée : le henry est reconnu comme unité internationale de mesure de l'inductance magnétique d'un circuit électrique.

 

Vers le système M.K.S.A


Les électriciens britanniques, et en particulier Maxwell, ressentent, dès les années 1860, la nécessité de compléter le système CGS par une unité spécifique à l'électricité comme l'unité de charge électrique ou celle d'intensité d'un courant.


Nous avons déjà noté que deux systèmes concurrents, l'un issu de l'électrostatique et de la loi de Coulomb, l'autre de l'électromagnétisme et de la loi de Laplace, donnent des dimensions différentes pour les unités.


Dans le système électromagnétique, par exemple, la résistance a la dimension d'une vitesse (elle s'exprime par le quotient d'une longueur L par un temps T). Dans le système électrostatique elle a celle de l'inverse d'une vitesse (quotient d'un temps T par une longueur L).


De même toutes les unités de charge (quantité), d'intensité (courant), de tension (potentiel), de capacité... ont des dimensions différentes dans les deux systèmes. On note également que le rapport entre les dimensions des grandeurs électriques dans chacun des systèmes fait intervenir la dimension d'une vitesse v, remarque dont nous avons souligné l'importance dans la théorie de Maxwell.


Tableau établissant les dimensions des unités dans les deux systèmes électrostatique et électromagnétique (Maxwell, traité d'électricité et de magnétisme)


Le système C.G.S ayant été construit exclusivement à partir du système électromagnétique était mal adapté à l'électrostatique.

 

En 1901 l'ingénieur électricien italien Giovanni Giorgi propose une solution qui vise à concilier ces deux systèmes et qui aboutit au choix de l'ampère comme unité électrique de base, du mètre comme unité de longueur, de la seconde comme unité de temps. Pour les masses, même si le préfixe "kilo" est inadapté pour désigner une unité, c'est le kilogramme qui est choisi (encore une cicatrice héritée du passé vivant des sciences).


Ce système prend alors le nom de système Giorgi ou système MKSA. En 1906 est créée la Commission Electrotechnique Internationale (C.E.I) dont l'une des missions est de normaliser le système de mesures destinées à l'électricité industrielle. Il faut, cependant, attendre 1946 pour que le système MKSA soit retenu par le Comité International des Poids et Mesures.


En 1948 la Conférence Générale des Poids et Mesures propose le newton comme unité de forces (force capable de procurer à une masse de 1kg une accélération de 1m/s2). Les unités mécaniques et électriques sont enfin unifiées.


Le joule qui était jusqu'alors défini comme l'énergie dégagée pendant une seconde par un courant de un ampère traversant une résistance de un ohm devient également le travail d'une force de un newton déplaçant son point d'application de un mètre dans sa direction.


Le système MKSA prend alors le nom de système international (S.I), adopté par la 11e Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) en 1960. Le 3 mai 1961 la République française publie le décret n° 61-501 rendant légal le système S.I en France.

 

Victoire définitive du système des électriciens sur celui des mécaniciens. Professeurs et lycéens peuvent désormais oublier kilogramme-force, kilogrammètre et cheval-vapeur au profit des newton, joule et watt.

 

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

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Voir aussi

Le coulomb, l'ampère, le volt, le watt, l'ohm... Quand sont nées les unités électriques ? link

Dans les coulisses du Congrès international des électriciens de 1881 link

Les systèmes d'unités électriques et leur unification  link


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18 avril 2009 6 18 /04 /avril /2009 17:50

 

L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.
par Gérard Borvon

 






                Nous avons noté le développement du télégraphe et du téléphone comme moteurs de l'industrie des piles et accumulateurs. Le début de l'éclairage électrique par les lampes à incandescence en est un autre tout aussi important.


La lumière électrique.


         "La Lumière Electrique" est le titre de la revue lancée le 15 avril 1879 par "l'Union des syndicats de l'électricité". C'est dire l'importance attribuée à cette nouvelle branche d'activité au moment où s'ouvre l'exposition de 1881.


         La lampe électrique a d'abord été une lampe à arc. Quand on approche, à faible distance, deux charbons soumis à une forte tension, un arc électrique jaillit qui dégage une vive lumière. Pour en faire un usage industriel plusieurs problèmes doivent être résolus.


         Premier problème : les charbons s'usent et l'écart entre les deux augmente jusqu'à ce que l'arc soit interrompu. Des régulateurs sont nécessaires afin de maintenir automatiquement les charbons dans leur position. Foucault, en France, en propose un qui connaîtra le succès. On lui doit aussi le choix de "charbons de cornue" (poudre de charbon issue des usines à gaz et fortement comprimée), bien plus résistants que de simples  tiges de charbon de bois jusqu'à présent utilisées.


         Second problème : la source de tension. Les premières installations utilisent des piles. La première de ce type à Paris est réalisée pour des effets de lumière sur la scène de l'Opéra construit par l'architecte Garnier et inauguré officiellement en 1875. Le sous-sol de l'Opéra abrite 360 piles Bunsen (piles à dépolarisant : Zinc amalgamé-acide sulfurique/charbon de cornue-acide nitrique) assemblées sous forme de six batteries de 60 éléments chacune. Les ouvriers chargés de leur entretien baignent dans une atmosphère acide combattue par les vapeurs d'ammoniac issues de soucoupes réparties dans la pièce.



Salle des batteries de piles Bunsen  dans le sous-sol de l'Opéra à Paris



         Une telle installation n'est à l'évidence pas adaptée à un éclairage à grande échelle. Celui-ci ne se développera qu'avec l'apparition des premières grosses génératrices.


         L'exposition internationale de 1878, à Paris, avait été l'occasion d'une première démonstration. Le 3 mai, vers huit heures du soir, trente deux globes de verre émaillé, placés le long de l'avenue de l'Opéra s'étaient allumés à la fois projetant une clarté douce et blanche que les observateurs comparaient à celle d'un beau clair de lune.


Les plus anciens se souvenaient avoir ressenti le même choc quand, soixante ans plus tôt, les premiers réverbères fonctionnant au gaz d'éclairage avaient été allumés sur la place du Carrousel. Aujourd'hui leur lumière paraissait rougeâtre et fumeuse et les rues proches de l'Opéra, qu'ils éclairaient, semblaient bien sombres comparées à la clarté de l'Avenue voisine. Moderne au début du siècle, l'éclairage au gaz de ville semblait soudain dépassé.


         Les lampes utilisées à Paris étaient équipées de "bougies de Jablochkoff", version récente et commode des lampes à Arc. Jablochkoff, ingénieur d'origine russe a trouvé le dispositif permettant de se passer de régulateur.



Bougie de Jablochkoff

        

Les deux charbons sont parallèles et portés par un support métallique. Ils sont séparés part un isolant à base de kaolin qui fond dès que l'arc l'atteint. Les deux charbons sont calibrés pour se consumer à la même vitesse : en courant continu, l'un a une section double, en courant alternatif ils sont identiques. Ils sont montés dans des globes de verre translucide afin de diffuser la lumière.


         Chaque bougie peut brûler pendant une heure et demie. Un support porte six bougies qu'un commutateur permet de mettre en œuvre à tour de rôle. Chaque candélabre dispose ainsi, au minimum, de 9 heures d'éclairage.


         Les 46 candélabres installés par la Compagnie Générale d'Electricité dans le quartier de l'Opéra et du Théâtre-Français sont alimentés en courant alternatif au moyen d'un nouveau type de machine Gramme.


         Le même système illumine les quais de la Tamise à Londres.



Eclairage à Londres en 1878



La démonstration réalisée à l'exposition internationale de 1878, porta ses fruits. Des ateliers, plusieurs places ou rues, des gares, l'hippodrome, adoptèrent le procédé. Les grands magasins en particulier y trouvèrent la solution aux incendies qui avaient ravagé plusieurs d'entre eux pour cause d'éclairage au gaz. Les grandes villes d'Europe et d'Amérique suivent le même mouvement.


Notons que le système donne un bon éclairage mais qu'il n'est pas sans danger. Les hautes tensions mises en jeu demandent des câbles bien isolés et des précautions d'usage qui en limitent la généralisation. De plus la lumière est intense et ne s'adapte qu'aux grands espaces. Il est hors de question de l'utiliser, à la place de l'éclairage au gaz, dans les appartements.


L'exposition de 1881 apporte une solution à ce problème de l'éclairage domestique : celle des lampes à incandescence.


Des lampes adaptées à chaque usage, qui peuvent fonctionner pendant plusieurs centaines d'heures, que l'on allume ou que l'on éteint en actionnant un simple commutateur, qui utilisent des tensions relativement basses… que rêver de mieux.


Les lampes Edison, Maxim, Swan … sont une des attractions de l'exposition.


Elles reposent toutes sur le même principe : un filament conducteur en carbone contenu dans une ampoule où on a réalisé le vide. On peut les utiliser isolément ou en équiper des lustres. Elles fonctionnent sous une tension faible (100 ou 50 volts pour les lampes Edison) mais consomment un courant de forte intensité (0,7 ampères pour les lampes Edison).



A : lampe Edison à filament de bambou du Japon carbonisé.

B : Lampe Maxim, carton Bristol carbonisé.

C : Lampe Swan, fil de coton carbonisé

               



 

Lustre Swan.


Edison est celui qui réussit le mieux sa publicité. Deux grandes salles lui sont consacrées où il présente l'essentiel de ses inventions : son téléphone et son télégraphe quadruplex qui permet de faire passer plusieurs messages en même temps dans les deux sens, ses lampes à incandescence et les machines qui les alimentent. Il a même l'habileté de faire réaliser sur place la fabrication des lampes à partir de tiges de bambou.


Chaque fabricant de lampes propose un système de distribution complet et, d'abord, les génératrices qui les alimentent.


Les nouvelles génératrices


Celle proposée par Edison doit pouvoir alimenter 1000 lampes c'est-à-dire fournir jusqu'à 700 ampères. Il faut donc limiter tout dégagement de chaleur dans la machine elle-même. Ainsi l'induit central ne sera pas constitué d'un bobinage de fil conducteur mais de barres de cuivre logées dans le noyau de fer doux du rotor et reliées à leurs extrémités par des disques conducteurs. Le noyau de fer doux sera lui-même constitué de disques de tôle de fer,  séparées par des feuilles de papier afin de limiter le dégagement de chaleur lié au phénomène d'hystérésis magnétique. Des innovations techniques encore utilisées aujourd'hui.



Génératrice Edison


                Ce sont les génératrices exposées, celles de Edison mais aussi de Gramme et de tous les autres participants, qui éclairent l'ensemble de l'exposition. Celle-ci apparaît comme une véritable féerie.


L'alimentation des lampes n'est cependant pas le seul usage des génératrices, le temps est venu des moteurs électriques.


La force motrice de l'électricité.


         Les moteurs électriques sont spectaculairement illustrés par leur application à la locomotion. Le premier Tramway électrique fait ainsi son apparition à Paris. Il circule entre la place de la Concorde et le Palais de l'Industrie. Avec le téléphone et les lampes à incandescence c'est la plus belle attraction de l'exposition.




Premier tramway électrique à Paris

        

Il est dû à Siemens qui en avait déjà présenté une version à l'exposition industrielle de Berlin en 1879. Les 500m de parcours sont réalisés en une minute. Son moteur est une machine Siemens identique à celle produisant du courant dans l'exposition. En effet, toutes ces machines ont la propriété d'être réversibles, tantôt moteur, tantôt génératrice.


         Du plus gros au plus petit : le moteur électrique peut aussi alimenter des machines à coudre, une récente invention fort utile dans laquelle s'est illustré l'Américain Singer.

 


 

 

         Le spécialiste de ces petits moteurs est G. Trouvé. Il en a également équipé un canot électrique dont la démonstration sur la Seine n'était pas passée inaperçue. Mais sa plus spectaculaire réussite est d'avoir équipé un ballon dirigeable miniature que les visiteurs pouvaient voir suspendu aux poutres de l'exposition.




         Long de 3m50, il était gonflé à l'hydrogène. Le moteur et l'accumulateur Planté qui l'alimentaient pesaient moins de 500g. L'hélice tournait à la vitesse de 6,5 tours à la seconde et pouvait propulser le dirigeable à la vitesse de 2m/s.


Après l'exposition de 1881


         Naturellement, le modèle réduit de dirigeable n'avait pas d'autre vocation que d'être un objet d'étude mais il fut fort remarqué et déjà il fit germer des projets.


Le 26 septembre 1884, les frères Tissandier s'élevaient au-dessus de Paris dans un dirigeable muni d'un moteur électrique où ils se livraient à quelques manœuvres puis se laissaient dériver sur un trajet de 25 km. 


Le 9 août 1884 un nouvel aérostat également équipé d'un moteur électrique, construit par les ateliers militaires de Chalais à Meudon, soulevait deux aéronautes et réussissaient une boucle de 7,6 km réalisée en 23 minutes.



1884 : premier vol en boucle d'un dirigeable muni d'un moteur électrique.


         1886 : cinq ans nous séparent de l'exposition universelle d'électricité et seulement deux ans du premier vol réalisé à Meudon. Jules Verne publie "Robur le Conquérant" qui, dans un scénario proche de "Vingt mille lieues sous les mers", met en scène deux membres d'un club aéronautique américain et leur serviteur, enlevés par un étrange et génial ingénieur, nouveau héros des temps modernes, dans un vaisseau du ciel, sorte d'hélicoptère dont la forêt d'hélices était actionnée par des moteurs électriques.

 

L'albatros de Robur le Conquérant


Jules Verne a-t-il visité l'exposition de 1881 ? Son texte, qui fait preuve d'une solide érudition scientifique, est une parfaite illustration de ce qui y était exposé.  Quand il décrit la machinerie électrique de l'engin volant il exprime, sous forme romanesque, les espoirs attendus de cette nouvelle technique et établit, tout en les imaginant franchis, la liste des obstacles dressés sur la route des savants et ingénieurs avant qu'ils s'en rendent parfaitement maîtres.


         " Ce n'est ni à la vapeur d'eau ou autres liquides, ni à l'air comprimé ou autres gaz élastiques, ni aux mélanges explosifs susceptibles de produire une action mécanique, que Robur a demandé la puissance nécessaire à soutenir et à mouvoir son appareil. C'est à l'électricité, cet agent qui sera, un jour, l'âme du monde industriel. D'ailleurs, nulle machine électromotrice pour le produire. Rien que des piles et des accumulateurs. Seulement, quels sont les éléments qui entrent dans la composition de ces piles, quels acides les mettent en activité ? C'est le secret de Robur. De même pour les accumulateurs. De quelle nature sont leurs lames positives et négatives ? On ne sait. L'ingénieur s'était bien gardé – et pour cause – de prendre un brevet d'invention. En somme, résultat non contestable : des piles d'un rendement extraordinaire, des acides d'une résistance presque absolue à l'évaporation ou à la congélation, des accumulateurs qui laissent très loin les Faure-Sellon-Volckmar, enfin des courants dont les ampères se chiffrent en nombres inconnus jusqu'alors. De là, une puissance en chevaux électriques pour ainsi dire infinie…

         Mais, il faut le répéter, cela appartient en propre à l'ingénieur Robur. Là-dessus il a gardé un secret absolu"


         Trouver ce secret, c'est sans doute le défi que nous lance Jules Verne. Défi relevé un siècle plus tard. C'est à nouveau la recette de piles et d'accumulateurs efficaces susceptibles d'équiper nos véhicules trop polluants, ou d'alimenter les sites isolés, que recherchent nos ingénieurs.


Eclairage, moteurs ne demandent donc qu'à se généraliser à condition que l'électricité puisse être distribuée.


L'électricité à domicile.


         Les fabricants de piles ou d'accumulateurs ont leur idée : distribuer l'électricité à domicile sous forme de  piles ou de batteries préalablement chargées.


         Les fabricants de génératrices ont aussi la leur : transporter l'électricité par fils à partir d'une usine centrale. 


Piles et accumulateurs ont eu, les premiers, leur période de succès. Des immeubles, des grands magasins ont installé dans leur sous-sol des systèmes ingénieux de piles Bunsen dont l'électrode de zinc ne plonge dans l'acide que pendant le temps de fonctionnement. Des piles qui "ne s'usent que si on s'en sert".


Ailleurs des accumulateurs au plomb sont livrés à domicile comme de vulgaires sacs de charbon. Le système ne résiste cependant pas à la livraison de l'électricité par fil. Il faudra attendre la fin du siècle pour que de gros accumulateurs trouvent à nouveau leur usage dans l'alimentation des premières voitures électriques qui apparaissent alors comme les véhicules de l'avenir.



Voiture électrique 1898


         Du côté de l'électricité par fils, plusieurs constructeurs se disputent le marché. Deux conceptions les opposent : courant continu ou courant alternatif ? Le courant continu ne rompt pas avec la tradition des piles et accumulateurs et a ses partisans. Le courant alternatif a un gros mérite : il permet l'utilisation de transformateurs et le transport de l'électricité sous haute tension, ce qui limite les pertes en ligne par effet thermique et permet le transport sur de longues distances.


Progressivement le courant alternatif s'impose et le paysage urbain se modifie. Les murs des immeubles se couvrent des fils du téléphone et de l'alimentation électrique dans un réseau d'autant plus touffu que chaque compagnie a ses propres lignes qui viennent s'ajouter à celles des concurrents.


         Une telle anarchie ne pouvait que provoquer des accidents. En 1889, les lecteurs de la revue La Nature peuvent lire le récit d'un accident effroyable à New-York. Un employé des télégraphes monté réparer une ligne se trouve pris, comme dans une toile d'araignée, dans un réseau alternant fils télégraphiques et fils d'alimentation électrique. Il est littéralement carbonisé devant plusieurs milliers de spectateurs impuissants. L'auteur de l'article signale qu'il ne se passe pas une semaine sans que de tels accidents ne se produisent à New-York. En dix huit mois huit personnes ont ainsi été tuées par des fils tombés à terre et dix sept autres ont été grièvement blessées.


         La solution serait naturellement des fils enterrés. C'est celle qu'impose le conseil municipal de Paris pour l'ensemble des compagnies qui s'activent à éclairer Paris à l'occasion de l'exposition internationale de 1889, celle qui voit se dresser la Tour Eiffel dont le sommet portera deux énormes projecteurs électriques.




Systèmes de câbles électriques souterrains à Paris en 1889


         Ce louable effort initial n'empêchera pas les fils aériens et les pylônes qui les supportent de devenir l'élément de paysage le plus caractéristique du siècle à venir.


Qui dit électricité à la maison dit factures et compteurs électriques. Au mois de juillet 1888, le conseil municipal de Paris vote une somme de  20 000 francs pour ouvrir un concours dont l'objet est la construction d'un compteur électrique. Le compteur devra pouvoir fonctionner à la fois en courant continu et en courant alternatif. Pour le courant alternatif il est précisé que l'appareil devra être du type "watt-heure-mètre", le watt-heure étant devenu une nouvelle unité pratique de mesure de l'énergie électrique.


 


Le côté sombre de la force électrique.


Janvier 1889 : L'électricité jusqu'à présent utilisée en médecine pour chercher à guérir, voir même ressusciter,  va l'être pour tuer.


A partir de cette date l'état de New-York a décidé de remplacer la mort par pendaison par l'électrocution des condamnés. Les industriels sont invités à proposer le meilleur procédé qui sera évalué par la Société médico–légale de New-York.  Il est indiqué que des tensions de 1000 à 1500 volts doivent être utilisées à des fréquences de 300 périodes par seconde. Le rapport du comité chargé du dossier recommande des "électrodes de 2,5 à 10 cm de diamètre couvertes d'une mince couche d'éponge et de peau de chamois imbibée d'une solution légère de sel commun". Elle précise aussi que le condamné doit être assis.


Le "Scientific Americain" du début de l'année 1889, rend compte des expériences menées en décembre 88 au laboratoire de Edison qui est l'un des inspirateurs de la loi. Celui-ci teste des tensions inférieures à celles proposées. Un veau de 57kg se relève après un choc administré par une tension de 50 volts mais meurt au bout de 8 secondes quand la tension est de 770 volts. Un cheval de 590kg meurt également après avoir été soumis pendant 25 secondes à une tension de 700 volts. On se propose même de tuer, par le même procédé, l'éléphant "Chief", le plus grand de l'état de New–York, qui est devenu dangereux.


Bientôt un condamné doit être exécuté et son avocat proteste contre l'utilisation de la "chaise électrique" estimant que ce moyen amenait une mort lente et douloureuse, ce qui était contraire à la constitution. Edison est formel : il sait par expérience qu'un homme ne peut pas résister à une tension alternative de quelques centaines de volts.


La première exécution est faite le 6 août 1890. Le condamné, William Kemmler, a attendu 14 mois son exécution. La revue La Nature décrit l'installation retenue. C'est une génératrice à courants alternatifs Westinghouse. Edison doit se contenter de voir ses lampes utilisées pour le tableau de commande. Une vingtaine d'entre elles indiqueront par leur éclat que la tension de 1000 volts nécessaire est bien atteinte et s'éteindront au moment de la décharge suivant un scénario qui deviendra classique par la suite.


L'exécution de William Kemmler en 1890

        

L'exécution se passe mal. Après 17 secondes de passage du courant le condamné émet des râles de souffrance. Il faut remettre la tension. La question se pose : fau-t-il continuer à utiliser ce procédé ?


Le docteur A.P.Southwick, le père de la loi, affirme que Kemmler est mort sans souffrir et défend la méthode. Le fournisseur de la dynamo et la société Westinghouse se défendent : elle a été mal installée. Simplement posée sur le sol, elle vibrait et se déplaçait au point même de risquer de perdre la courroie qui la reliait à la machine à vapeur.


Edison en profite pour se rappeler au bon souvenir des autorités. Il rappelle qu'il est opposé à la peine de mort et que c'est par humanité qu'il a proposé l'usage de l'électricité. Il reproche aux médecins d'avoir fixé les électrodes sur la tête et la colonne vertébrale de façon à s'attaquer au cerveau du condamné alors que dans toutes les morts accidentelles par électrocution, le courant était passé par les mains provoquant l'arrêt cardiaque. Il ajoute d'autre part que si les contacts avaient été bons, une tension plus faible aurait été suffisante car les 1300 volts appliqués auraient dû littéralement carboniser le condamné.


La revue La Nature qui relate l'évènement fait remarquer que la polémique n'est sans doute pas étrangère au fait que Edison préconise la distribution de l'électricité par basse tension alors que Westinghouse préconise les hautes tensions.


La mort par l'électricité aura une longue carrière aux USA, émaillée  des récits horribles de corps torturés. La mort par injection chimique actuellement proposée, à nouveau sous prétexte d'humanité, provoque les mêmes débats qui ne s'arrêteront qu'avec la fin, que l'on ne peut que souhaiter proche, de la peine de mort aux USA.


Les sciences et les techniques sont de plus en plus confrontées à l'usage qui en est fait. La même technique qui peut faire progresser l'humanité peut aussi devenir un instrument de barbarie. Les exemples se multiplieront dans le siècle suivant.


Quel futur pour l'électricité ?


Un départ aussi fulgurant que celui de la science électrique et des techniques qu'elle a fait naître ne pouvait qu'inspirer les prophéties.


Edouard Hospitalier dans La Nature (1882, premier semestre) imagine l'usage à venir des accumulateurs :


"Les études sont dirigées aujourd'hui du côté des accumulateurs, et l'on peut espérer que, on sera arrivé à les construire assez légers pour pouvoir faire fonctionner des véhicules pendant quelques heures à l'aide de l'électricité emmagasinée. Il sera facile alors d'établir en certains points de la capitale de véritables relais où l'on viendra recharger les accumulateurs en les branchant sur la canalisation générale de la distribution. On aura ainsi réalisé le cheval de fiacre électrique et la nourriture électrique.

         Nous n'en sommes pas encore là au point de vue de la pratique, mais combien d'années encore cette utopie mettra-t-elle à devenir une réalité."


         Combien d'années ? E. Hospitalier, comme ses contemporains, était certain que l'électricité était l'énergie de l'avenir et avec elle la locomotion électrique. C'était compter sans le pétrole dont on commençait seulement à imaginer l'usage possible dans ces moteurs à explosion dont le premier brevet avait été déposé par les frères Niepce en 1807 à un moment où ils ne disposaient pas encore du combustible idéal (leur prototype fonctionnait à la poudre de lycopode, spores d'un champignon). Un siècle plus tard, effet de serre et épuisement des ressources combinés, l'idée de la voiture électrique, à condition que la production d'électricité  ne soit  pas elle-même source de pollution, intéresse à nouveau pouvoirs publics et industriels.


         Les idées ne manquaient déjà pas au siècle de l'avant-pétrole. Louis Figuier, rendant compte de l'exposition de 1881 dans L'année Scientifique de 1882, expose les siennes : utiliser les énergies des chutes d'eau, des marées, des fleuves.


         "Créer de l'électricité par la force primitive, transporter cette électricité à distance au moyen d'un fil, et à cette distance changer de nouveau cette électricité en mouvement… des forces naturelles aujourd'hui perdues pourraient être utilisées en les transportant à une distance plus ou moins grande.


         Il y a par exemple, dans les Alpes, dans les Pyrénées, dans les Apennins, dans les Andes, d'immenses chutes d'eau qui pourraient produire de grands effets mécaniques, et qui sont perdues parce que l'on n'a pas le moyen de les utiliser sur place. Transportez cette force du pied des Alpes, par exemple, jusque dans une usine située à 20 ou 30 kilomètres, et vous disposerez ainsi d'une puissance qui était perdue, qui ne sera pas assurément gratuite, mais qui sera un accroissement de votre énergie mécanique.


         Les marées sont une force naturelle immense, mais dont on ne peut tirer parti sur les rivages de l'océan. Transformez en électricité, au moyen d'une machine dynamo-électrique, la force mécanique de l'influx marin recueilli sur les côtes, et transportez au loin cette électricité… et vous aurez tiré parti d'une force naturelle qui jusqu'ici n'a jamais pu être utilisée sérieusement…


         La roue d'un modeste moulin peut même être employée à produire de l'électricité, et cette électricité transporter au loin l'énergie mécanique de la chute d'eau"


         Nous trouvons dans cette énumération une grande partie des énergies renouvelables que nous exploitons aujourd'hui ou que nous souhaitons exploiter dans l'avenir. L'énergie des chutes d'eau a déjà largement été mise à profit. Celle des barrages sur les fleuves commence à atteindre ses limites car la terre qu'ils engloutissent est, elle aussi, un bien précieux. Quelques usines marée-motrices fonctionnent mais surtout on commence à peine à expérimenter l'usage d'hydroliennes utilisant les courants marins.


En y ajoutant l'énergie du vent et surtout l'énergie solaire on aura complété la panoplie des alternatives aux énergies fossiles qui constitueront probablement une part essentielle de notre futur.

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

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On peut lire aussi :

 

Histoire de l'électricité. Histoire des unités électriques.

 

 

 

Histoire de l'électricité. Les voitures électriques dans le Paris de la belle époque.



Au moment où le tramway fait l'actualité parisienne couplé avec le problème de la pollution de l'air et celui de la lutte contre l'effet de serre, il peut être amusant de se pencher sur l'histoire des débuts de la locomotion automobile à Paris. Une période où la principale pollution était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.



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18 avril 2009 6 18 /04 /avril /2009 17:31


L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris.

par Gérard Borvon


 

 

Sur le plan théorique, la découverte de la pile électrique en 1800, puis de l'électrolyse, a eu pour premier effet la découverte de nouveaux corps simples et de rapides progrès dans la compréhension des réactions chimiques.


 

Sur le plan technique les retombées immédiates ont été plus modestes et se sont cantonnées essentiellement au dépôt d'or, d'argent, de cuivre ou d'un autre métal par électrolyse. Les orfèvres ont été les premiers utilisateurs du procédé. Plus tard la galvanoplastie deviendra une activité industrielle.


 

Un nouveau pas est franchi en 1820 avec la découverte de l'action magnétique des courants électriques par Oersted et son application aux électroaimants avec Ampère et Arago. Cette fois les retombées techniques sont rapides et d'une extrême importance.


 

Un exemple : des piles et des électroaimants suffisent à imaginer le télégraphe. La première liaison télégraphique deviendra possible quand son alphabet aura été établi par Morse. Elle est réalisée en 1844 entre Washington et Baltimore. Bientôt les lignes télégraphiques doubleront les voies de chemin de fer et traverseront les océans.


 

La confection et la pose des câbles télégraphiques devient une industrie qui, à son tour, réclame l'aide des "savants" pour l'étude de la résistance électrique des métaux, celle des isolants, celle de la propagation des signaux. Ou encore pour la mise au point de standards internationaux. Nous en reparlerons.

 


 

L'époque des génératrices électriques.

 

 

La découverte des courants induits par Faraday en 1831 ouvre des perspectives industrielles encore plus ambitieuses. Déjà la roue de Barlow était une première approche d'un moteur électrique. Mais pour actionner des moteurs d'une puissance respectable il fallait des puissances électriques que les piles n'étaient pas à même de fournir. Les premières génératrices issues des découvertes de Faraday vinrent répondre à cette demande.


 

On cite généralement la machine inventée en 1832 par Antoine Hippolyte Pixii comme la première génératrice à courant continu. Un aimant permanent tourne devant les deux pôles d'une bobine enroulée autour d'une armature de fer doux repliée en U. Un courant est créé dans la bobine à chaque passage des pôles de l'aimant devant ses propres pôles. Un problème cependant : ce courant est alternatif, son sens changeant suivant que les pôles de l'aimant s'approchent ou s'éloignent de la bobine. Toute l'astuce de Pixii tient à l'idée d'un "commutateur" relié à la bobine et monté sur l'axe de rotation de l'aimant (on dira par la suite un "collecteur"), permettant d'inverser le sens du courant dans le circuit récepteur extérieur à chaque tour de l'aimant. Ainsi la génératrice produit un courant circulant toujours dans le même sens.

 

 

La machine de Clarke est construite sur le principe inverse : ce sont les bobines qui tournent devant un aimant permanent. La machine de la "Compagnie de l'Alliance" constituera une application industrielle de ce principe. Quatre séries de bobines portées par un rotor de bronze tournent devant huit rangées d'aimants permanents. Cette machine, dont le rotor est actionné par une machine à vapeur, sera utilisée pour l'éclairage des phares.

 

 


 

 

La machine de l'Alliance montre, déjà, à quelle vitesse les industriels sont capables de passer d'un prototype léger à une machine aussi puissante que robuste. L'industrie électrique profite de toutes les techniques de la "révolution industrielle" de ce 19ème siècle qui a déjà commencé à transformer la planète par la maîtrise du charbon, de la vapeur, de la fonte et de l'acier.

 

 

La prochaine étape vers l'amélioration de ces machines consistera à remplacer les aimants permanents par des électroaimants. Les machines "dynamoélectriques" remplacent les machines "magnétoélectriques". Nous arrivons ainsi à l'une des plus célèbres parmi les premières d'entre elles : la machine Gramme.

 

 

Né en Belgique, Zénobe Gramme (1826-1901), est un ancien ouvrier de la Compagnie de l'Alliance. Autodidacte il met au point une série de génératrices dont la série commence par un simple "anneau" tournant dans le champ d'un électroaimant et se poursuit par de solides et puissantes machines adaptées aux différents usages de l'industrie électrique naissante : éclairage, force motrice….

 

 


Machine Gramme à courant continu

 

 

         Nous ne détaillerons pas les différentes étapes des travaux de Gramme. Disons cependant que, après Ruhmkorff (1864) et Bell (1880), il se voit attribuer, en 1888, le prix Volta de 50 000 francs par l'Académie des Sciences. Signe de l'importance accordée par les scientifiques aux découvertes de ce technicien.


 

         Avec l'électromagnétisme les sciences et les techniques sont intimement liées. Une expérience de laboratoire débouche rapidement sur son développement technique, une innovation technique ouvre de nouvelles voies de réflexion ou permet la vérification d'une théorie en attente de validation.


 

         Un évènement a particulièrement illustré cette rencontre entre sciences et techniques, entre savants et ingénieurs : l'exposition internationale d'électricité de 1881.

 


 

L'Exposition Internationale d'Electricité de 1881 à Paris.

 

 

         Les expositions internationales constituent ces grands rendez-vous du 19ème siècle entre les états du monde "développé". Chacun y expose sa puissance technique et économique dans une rivalité qui s'affirme vouloir n'être que "pacifique".

 

 

 

         L'électricité y prend naturellement toute sa place. C'est le cas à Londres en 1862, à Paris en 1867 et 1878, à Vienne en 1875 et à Philadelphie en 1876. Mais l'exposition de 1881, à Paris, est une innovation. C'est la première fois qu'une exposition internationale est entièrement consacrée à l'électricité et à ses applications. Cette rencontre prendra une importance particulière avec l'organisation, pendant l'exposition, du premier congrès international des électriciens.

 

 

 


Vue d'ensemble de l'Exposition Internationale d'Electricité.1881.

 

        

750 000 personnes visiteront l'exposition entre le 11 août et le 20 novembre. Dès l'entrée dans le Palais des Champs-Élysées le spectacle est grandiose. Au milieu du rez-de-chaussée, un phare électrique, modèle de ceux qui doivent être installés sur les côtes, éclaire la salle de ses feux tournants de différentes couleurs. Ce phare symbolise à lui seul deux des grandes affaires de cette exposition : l'éclairage et l'utilisation des génératrices électriques de forte puissance.

 

 

Proposons-nous un tour de l'exposition en visitant successivement ses principaux centres d'intérêt :

 

- la communication par signaux électriques.

- les piles et accumulateurs électriques.

- l'éclairage électrique.

- la production d'électricité par les génératrices.

- les moteurs électriques.

 

 

 

Télégraphe et téléphone :

 

 

         Le télégraphe occupe nécessairement une place importante dans cette exposition. C'est en 1838 que Samuel Morse a fait breveter, en même temps que son alphabet, l'emploi des électro-aimants associés à un système de levier émetteur et de récepteur enregistreur. L'interruption du courant dans le circuit émetteur, alimenté par une source de tension continue, produit un courant induit de rupture dans la bobine émettrice. Ce courant, à son tour, actionne un électroaimant récepteur et le levier inscripteur qui lui est associé.


 

Depuis cette date le télégraphe  a déjà fait le tour du monde et il s'est amélioré. Le télégraphe à cadran en usage dans les chemins de fer se lit sur des cadrans portant les lettres de l'alphabet. Le télégraphe imprimeur de Hughes utilise un clavier du type de celui de nos actuelles machines à écrire. Le système Wheatstone utilise des bandes perforées. Le système Baudot est un concentré d'ingéniosité. Il permet d'expédier, ensemble, plusieurs signaux qui, de plus, sont imprimés à l'arrivée. Avec le procédé duplex d'Edison les messages peuvent se croiser sur la même ligne.


 


Station télégraphique utilisant le télégraphe Baudot. Paris 1881.

 

        

Mais l'attraction vedette de l'exposition est le téléphone.


 

         L'appareil avait déjà été présenté en 1876 à l'exposition de Philadelphie. Tel que décrit par Louis Figuier il est d'une extrême simplicité :


 

         "Le téléphone se compose surtout d'un aimant, aux pôles duquel sont fixées deux petites bobines de fil isolé. Des courants d'induction peuvent s'établir dans les fils de ces bobines par l'action de l'aimant. En face des pôles de l'aimant est tendu un disque de tôle très mince, qui porte en son centre une petite tige en fer doux, qui oscille devant l'écran, quand la plaque de tôle est en état de vibration. Une espèce d'entonnoir est destiné à faire converger les sons vers la plaque vibrante.

         Quand la plaque se met à vibrer sous l'influence de la voix humaine, la petite tige que porte cette plaque avance ou recule, et aussitôt des courants magnétoélectriques s'établissent dans les fils des bobines qui environnent l'aimant, et ces oscillations répondent exactement à celles de l'air qui sont produites par la voix. Les bobines sont reliées au fil télégraphique électrique, lequel peut avoir une longueur quelconque pourvu que son isolement soit parfait. Les ondulations magnétoélectriques se propagent dans toute la ligne, et à la station d'arrivée, traversent les bobines de l'aimant qui est identique par sa construction avec celui qui se trouve à la station opposée ; les ondulations magnétoélectriques sont, à leur tour, converties en ondulations sonores par la plaque vibrante du récepteur de cet instrument".

 

 

En 1877,  l'Américain Graham Bell stupéfiait ses invités en établissant une conversation entre les villes de Boston et Malden distantes de 9 kilomètres en utilisant les lignes télégraphiques existant entre ces deux villes. Mieux, un pianiste joue de son instrument à Malden, une cantatrice y chante un air à la mode. Ce concert improvisé fait sensation quand il est entendu à Boston.


 

Bell multiplie les démonstrations. La revue La Nature du deuxième semestre de 1877 décrit une transmission entre Boston et North-Conway, villes distantes de 230 km. La conversation est parfaitement nette malgré une résistance de la ligne télégraphique estimée à 40 000 ohms.


 


A l'écoute du téléphone Bell.

 

 

Le téléphone de Bell et ses variantes, tel celui de Edison, se répandent avec une extrême rapidité. La raison essentielle en est la densité du réseau de lignes télégraphiques déjà existantes. Elles sont utilisées par le téléphone qui a d'ailleurs souvent  été désigné comme un "télégraphe parlant".


 

Le problème est cependant celui de la résistance électrique de ces lignes et la faible intensité du signal émis. Les cinq ans qui séparent la découverte de l'exposition de 1881 ont été mis à profit par Bell lui-même et par d'autres ingénieux techniciens pour trouver des solutions.


 

Un premier "amplificateur" est utilisé au niveau de l'émetteur. Celui-ci devient un "microphone" capable de transmettre au loin les sons les plus faibles. Sa réalisation met en œuvre une propriété du graphite dont la découverte est attribuée à l'Américain David Hughes. Un bâton de graphite présente une résistance qui varie en fonction de la pression exercée entre ses extrémités taillées en pointe. L'une des pointes étant appuyée sur la membrane, une simple vibration produit une variation de la résistance de la tige. Celle-ci étant conductrice peut être reliée à la ligne de transmission par l'intermédiaire d'une pile. L'intensité du courant débité par la pile variera donc au gré des vibrations et son intensité sera bien plus forte que celle du faible courant produit dans la bobine inductrice initialement proposée par Bell.


 

Dès lors la résistance des fils de la ligne télégraphique n'est plus un problème. Plusieurs microphones sont ainsi présentés à l'exposition dont celui construit par Darsonval et Paul Bert qui comporte une série de tubes de graphite soumis à une pression réglable.


 


Téléphone à tiges de graphite de Darsonval et Paul Bert


 

Un autre procédé utilisant des pastilles de poudre de graphite comprimée a été développé par Thomas Edison déjà renommé pour être le constructeur du premier phonographe. Le génial inventeur américain, qui n'a encore que 34 ans au moment de l'exposition, est déjà l'un des plus actifs dans le domaine de la télégraphie. Il est tout naturellement concerné par la téléphonie dans laquelle il se révèle un concurrent redoutable pour Bell.


 

A Paris, en 1881, le Ministère des Postes et Télégraphes a confié la mise en scène de la téléphonie à la Société Générale des Téléphones de l'ingénieur Bréguet utilisant le système de Clément Ader, le futur constructeur du premier avion.


 

Pour le chroniqueur scientifique Louis Figuier : "Cette application si nouvelle et si extraordinaire du téléphone, consistant à faire entendre  à distance des sons musicaux et autres, a été la surprise, la merveille, le grand évènement de l'Exposition de 1881 pour le public, et l'on peut ajouter, pour les savants eux-mêmes." (L'année Scientifique et Industrielle – 1878)


 

C'est une foule qui se précipite tous les soirs dans les quatre salles destinées aux démonstrations du téléphone. Il faut attendre souvent plusieurs heures avant d'entrer, par groupes de vingt, dans une salle dont les murs sont tapissés de tapis d'Orient et le sol recouvert d'un épais tapis. Là,  chacun peut écouter pendant 5 minutes les airs qui se chantent ou se jouent à l'Opéra relié à la salle par une ligne traversant les égouts.


 

L'accueil est enthousiaste : " Il faut avoir entendu dans les téléphones de l'Exposition d'Electricité, pour se rendre exactement compte de la délicatesse avec laquelle les sons se trouvent transmis. Non seulement on entend les artistes, mais on reconnaît leur voix, on distingue les murmures du public dans la salle, on perçoit ses applaudissements". (La Nature septembre 1881).


 

 


Salle de réception du "théatrophone"


 

         Il faut ajouter que le système, désigné sous le nom de "théatrophone", fonctionne en stéréophonie. Devant la scène de l'opéra des "transmetteurs" (larges plaques posées sur des tiges de graphite), sont disposés de chaque côté de la loge du souffleur. Chaque série est reliée à l'un des deux écouteurs dont dispose l'auditeur restituant ainsi le "relief" du son.


 

         Si le téléphone est une révélation pour la majorité des visiteurs, ce n'est pourtant pas une nouveauté à Paris. Il y existe un réseau dont ses promoteurs n'hésitent pas à affirmer qu'il est "le plus parfait de ceux fonctionnant aujourd'hui, tant en Europe qu'aux Etats-Unis" (revue "La Nature" premier semestre 1882). Depuis 1879 l'administration des Postes et Télégraphe a cédé l'installation du téléphone aux sociétés privées. A Paris, la "Société Générale des Téléphones" naît en 1880 de la fusion de deux sociétés préexistantes. Début 1881 elle compte 7 bureaux centraux et 300 lignes installées dans la capitale. Fin 1881, les démonstrations réalisées lors de l'Exposition Internationale font exploser les demandes d'abonnement.

 

 


Bureau central téléphonique. Avenue de l'Opéra. Paris.1881.


 

La société continue à se développer dans la France entière jusqu'en 1889, année où l'Assemblée Nationale décide de faire du téléphone un service public et de rattacher sa gestion au ministère des postes et télégraphes qui devient ainsi le ministère des P.T.T  (Poste, Télégraphe et Téléphone). Il vivra un siècle jusqu'à la loi de 1990 qui privatise les télécommunications en France.

      

 

A l'Exposition Internationale, les visiteurs n'on vu que le spectacle mais, tant pour le télégraphe que pour le téléphone, le technicien était plus intéressé par ce qui se passait dans les coulisses.


 

Toute installation demande une source de courant continu c'est-à-dire des piles ou, mieux, des "piles secondaires" c'est-à-dire des accumulateurs. Le développement du télégraphe et du téléphone fait de la construction des piles et accumulateurs une affaire industrielle.

 


 

Les sources de courant continu : les piles et accumulateurs.

 

 

         Côté piles, de sérieux progrès avaient été réalisés. La première pile volta présentait l'inconvénient de se "polariser" : les réactions chimiques à ses électrodes faisaient rapidement chuter sa tension. La pile Daniell, impolarisable était déjà un progrès mais sa forte résistance ne pouvait en faire un générateur utilisable dans la pratique. Les piles à "dépolarisant" répondaient enfin au problème.


 

Celle imaginée par Georges Leclanché est l'une des plus utilisées. En 1867, alors exilé en Belgique pour ses opinions républicaines, il dépose un brevet pour une pile dont l'électrolyte était une solution de chlorure d'ammonium et le pôle positif une plaque de charbon recouverte sur chaque face d'une couche de peroxyde de manganèse, l'ensemble étant contenu dans un vase poreux plongeant dans un deuxième vase contenant la même solution et une tige de zinc constituant le pôle négatif.


 

Elle sera massivement utilisée sur les télégraphes belges et néerlandais. De retour en France, Leclanché confie l'exploitation de son brevet à l'industriel Barbier. La pile Leclanché-Barbier est alors largement utilisée dans les télégraphes français. En 1881 l'usine, qui emploie 50 ouvriers, a vendu près de 300 000 piles. Après la mort prématurée de Leclanché en 1882 à l'âge de 43 ans, la pile sera encore perfectionnée par son fils Max pour être rendue facilement transportable. Sous différentes marques commerciales, elle est encore largement utilisée aujourd'hui.


 

Mais les piles ont de sérieuses concurrentes : les "piles secondaires" ou accumulateurs. L'idée est de Gaston Planté. En 1860 il rédige un mémoire qui est lu à l'Académie des Sciences dans lequel il décrit les propriétés d'un dispositif qu'il désigne comme une "pile secondaire".


 

L'électrolyse d'une solution d'acide sulfurique entre deux plaques de plomb oxyde la plaque reliée au pôle positif. Il se crée ainsi une dissymétrie entre les deux électrodes. En reliant les deux plaques ainsi "polarisées", Planté constate qu'un courant électrique circule dans le circuit et se maintient jusqu'au retour des plaques à l'état initial. Il a ainsi l'idée de "piles secondaires" qui seront ensuite désignées par le terme d'accumulateurs.  Concrètement cet accumulateur consiste en deux plaques de plomb parallèles enroulées en spirale et maintenues écartées par deux rubans de caoutchouc enroulés en même temps que les plaques. L'ensemble est placé dans un récipient de verre cylindrique empli d'une solution d'acide sulfurique.


 

En 1873 Planté présentait une expérience dont la mise en scène annonçait déjà les progrès à venir de l'industrie électrique.


 

Une des premières machines Gramme, utilisée en génératrice et actionnée par la force motrice mécanique de l'expérimentateur, fournissait un courant qui produisait la charge, par électrolyse, de l'élément Planté.


 

Si, après avoir ainsi chargé l'accumulateur on lâchait la manivelle, la machine Gramme se remettait en marche sous l'action du courant issu de celui-ci. L'auteur de l'article relatant cette expérience (La Nature – avril 80) y voyait l'une des "plus belles démonstrations de l'unité des forces physiques et de leur transformation mutuelle".


 

Progressivement se construisait la notion d'une "énergie" se présentant sous des formes diverses, mécanique, électrique, chimique et capable de se transformer de l'une en l'autre.

 


Machine Gramme chargeant un accumulateur Planté.

 

 

Pour communiquer à ces "accumulateurs" d'électricité une charge suffisante, il fallait les charger et décharger plusieurs fois, ce qui revenait à augmenter la couche d'oxyde sur l'anode. Pour supprimer cette première phase, l'accumulateur "Planté" est aujourd'hui constitué d'un pôle positif de plomb recouvert d'une couche d'oxyde de plomb PbO2, son pôle négatif étant de plomb. La tension aux bornes de chaque élément est de l'ordre de 2 volts. Leur disposition en batterie permet d'obtenir des tensions élevées et une faible résistance ce qui en fait des sources produisant, pendant plusieurs heures, des courants de forte intensité.


 

L'accumulateur au plomb, trop lourd, a été décrié par certains auteurs au profit d'accumulateurs au zinc plus légers. Pourtant le plomb n'a toujours pas trouvé de véritable concurrent pour les accumulateurs d'usage courant.

 


Lire la suite sur : Histoire de l'électricité. L'exposition Internationale d’électricité de 1881, à Paris (2).

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




 

 

 

 

    

 

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